Die natürliche Photosynthese, mit der Pflanzen aus Sonnenlicht und Kohlendioxid chemische Bausteine für ihren Metabolismus bilden, inspiriert Chemiker seit vielen Jahren. Was die Pflanzen jedoch auch nach Millionen Jahren der Evolution nicht beherrschen, ist die effiziente Synthese von Molekülen, die als Kraft- oder Brennstoff genutzt werden können. Mit welchem Trick die Synthese von Wasserstoff mittels Sonnenlicht dennoch gelingt, beschreiben Chemiker der Ruhr-Universität Bochum und der University of Cambridge im Fachjournal „Nature Energy“.

Photosystem aus Cyanobakterien

Statt auf die pflanzliche Photosynthese zurückzugreifen, haben die Forscher das sogenannte Photosystem II aus Cyanobakterien verwendet. Ebenso wie Pflanzen können diese Mikroorganismen Licht als Energiequelle nutzen. Weil die Bakterien aber nur die roten und blauen Anteile des Lichts verwenden, erweiterten die Forscher die natürliche Photozelle um eine spezielle Photoanode, die auf grüne Lichtanteile anspricht.

Aus anderen Bakterien, die in der Lage sind, Wasserstoff zu produzieren, ergänzten die Chemiker das Enzym Hydrogenase. Dieses Enzym kann Protonen und Elektronen zu einem Wasserstoffmolekül zusammenfügen. „Von der Kombination der beiden Prozesse erhoffen wir uns langfristig eine nachhaltige Herstellung des potenziellen Energieträgers Wasserstoff“, sagt Marc Nowaczyk vom Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen an der Ruhr-Universität Bochum.

Redoxpolymere als Energieüberträger

Ganz so einfach waren diese Prozesse jedoch nicht zu kombinieren. Nötig war dazu die Auswahl geeigneter Redoxpolymere, also chemischer Verbindungen, die die Energie aus dem Photosystem an eine Elektrode übertragen. Dort werden schließlich Wassermoleküle aufgespalten, und mithilfe der Hydrogenase entsteht Wasserstoff und Sauerstoff – alles angetrieben von der Energie des Sonnenlichts. „So konnten wir erstmals eine Biosolarzelle entwickeln, die direkt einen chemischen Energieträger, in unserem Fall Wasserstoff, erzeugt“, resümiert Adrian Ruff vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie.

Baukastensystem eröffnet weitere Optionen

Um das System weiter optimieren und auch andere Moleküle mittels Sonnenlicht herstellen zu können, haben die Chemiker einen Baukastenansatz gewählt. Sowohl die einzelnen biologischen als auch die chemischen Komponenten lassen sich einfach austauschen. „Unser molekularer Legokasten bietet vielfältige Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen“, betont Nowaczyk. „Denkbar wäre es zum Beispiel, flüssige Energieträger auf der Basis von Kohlenstoff aus dem klimaschädlichen Kohlendioxid herzustellen.“

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv. Weitere Förderung kam aus dem EU-Projekt „PhotoBioCat“.

bl