Die Photosynthese ist die Lebensgrundlage allen pflanzlichen Lebens: Pflanzen nutzen diese chemische Reaktionskette, um aus dem Kohlendioxid der Luft und Sonnenenergie Biomasse aufzubauen. Von zentraler Bedeutung in diesem erstaunlichen Prozess sind die sogenannten Photosysteme I und II – Enzymkomplexe, die die chemischen Reaktionen katalysieren. Schon lange bemühen sich Forschende, die Photosynthese technisch zu imitieren, um günstig und nachhaltig chemische Verbindungen herzustellen. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universitäten Bochum und Rostock hat nun einen Durchbruch dabei erzielt, die Effizienz der Katalyse zu steigern.

Problem des hohen Energieverlusts der Photosynthese

Eigentlich ist die Photosynthese nämlich ein sehr ineffizienter Prozess: Weniger als ein Prozent der aufgenommenen Sonnenenergie ist am Ende tatsächlich chemisch gebunden. Angesichts der schier unendlichen Sonnenenergie können Pflanzen sich das erlauben. Für industrielle Prozesse wäre das jedoch wahrscheinlich ökonomisch problematisch. Dabei startet die Photosynthese noch hocheffizient. Die ersten Schritte der Energieumwandlung erhalten bis zu 99% der Energie. Doch schon beim anschließenden Transport der Elektronen verliert der Prozess gut 60% Energie.

Die Forschenden berichten nun im Wissenschaftsjournal „Nature“, dass diese hohen Verluste grundsätzlich vermieden werden könnten. Die Fachleute konnten mit besonders schnellen Spektroskopiemethoden sichtbar machen, dass es möglich ist, die Elektronen aus der Photosynthese bereits zu einem früheren Zeitpunkt des Prozesses abzugreifen, um sie zu nutzen. Möglich wird das mittels sogenannter synthetischer Mediatoren, kleiner chemischer Vermittlermoleküle.

Biologische Solarzellen und Wasserstoff aus Lichtenergie

„Unsere Ergebnisse ermöglichen völlig neue Konzepte für das Design von biologischen Solarzellen, wodurch sich – zumindest theoretisch – die Effizienz deutlich verbessern ließe“, erläutert Marc Nowaczyk von der Universität Rostock. Doch das ist nicht die einzige mögliche Anwendung: „Wir wollen in einem interdisziplinären Ansatz beispielsweise Hybridsysteme entwickeln, die mithilfe biologischer Katalysatoren und Lichtenergie Wasserstoff als Energieträger produzieren.“ Bis daraus jedoch praxistaugliche Anwendungen hervorgehen könnten, ist noch viel Zeit und Forschung erforderlich.

bl