Pflanzen beherrschen diesen Trick seit Hunderten Millionen Jahren: Sie nutzen Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid, um chemische Energie zu speichern. Forschende versuchen seit Langem, diesen Prozess technisch nachzubauen. Nun meldet ein Team der Yale University einen wichtigen Fortschritt. Es entwickelte ein künstliches „Blatt“, das ausschließlich mit Sonnenlicht, Wasser und CO₂ aus der Luft den flüssigen Energieträger Methanol herstellt.
Nach Angaben der Forschenden handelt es sich um das erste eigenständige System dieser Art. Es benötigt keine externe Stromversorgung und erzeugt direkt einen flüssigen Kraftstoff. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Journal of the American Chemical Society.
Inhaltsverzeichnis
Warum Methanol für die Energiewende interessant ist
Methanol gehört zu den wichtigsten Grundchemikalien der Industrie. Es dient unter anderem als Ausgangsstoff für Kunststoffe, Lösungsmittel und Kraftstoffe. Gleichzeitig gewinnt sogenanntes E-Methanol an Bedeutung. Es gilt als möglicher klimafreundlicher Energieträger für die Schifffahrt und für Anwendungen, in denen Batterien an ihre Grenzen stoßen.
Bislang wird Methanol überwiegend aus fossilem Erdgas hergestellt. Verfahren, die Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle nutzen, könnten den CO₂-Ausstoß deutlich verringern – vorausgesetzt, die notwendige Energie stammt aus erneuerbaren Quellen. Genau hier setzt das neue künstliche Blatt an.
Künstliche Photosynthese mit deutlich höherer Effizienz
Das Prinzip orientiert sich an der Natur. Statt Zucker zu erzeugen, produziert das System allerdings Methanol. Sonnenlicht liefert die notwendige Energie, Wasser dient als Elektronenquelle und Kohlendioxid als Ausgangsmaterial.
Besonders bemerkenswert ist laut den Forschenden die Effizienz. Das System soll Sonnenenergie rund 32-mal wirksamer in Methanol umwandeln als bisherige künstliche Blatt-Technologien, die alkoholische Brennstoffe erzeugen. Der Wert bezieht sich auf den bisherigen Rekord vergleichbarer photoelektrochemischer Systeme.
„Das sieht vielversprechend aus, mit einem Konzept, das mit dem vergleichbar ist, was die Natur tut“, sagt Studienleiter Hailiang Wang von der Yale University. „Von dem Moment an, als wir die ersten Ergebnisse sahen, war es super spannend.“
Zwei Entwicklungen machen das neue Blatt möglich
Im Zentrum der Anlage stehen zwei Komponenten, die das Team in den vergangenen Jahren entwickelt hat.
Zum einen kommt ein spezieller Katalysator zum Einsatz. Er besteht aus einzelnen Molekülen eines Kobaltphthalocyanin-Derivats, die auf Kohlenstoffnanoröhren verankert sind. Diese winzigen Röhren wirken wie besonders schnelle Leitbahnen für Elektronen.
Für die Umwandlung von CO₂ zu Methanol werden insgesamt sechs Elektronen benötigt. Genau diese aufwendige Reaktion gelang bisher nur schwer. Viele ältere Katalysatoren schafften lediglich eine Zwei-Elektronen-Reaktion und erzeugten deshalb vor allem Kohlenmonoxid.
Die zweite Schlüsselkomponente ist eine neuartige Photoelektrode. Sie besteht aus mikroskopisch kleinen Siliziumsäulen, die mit einer Schicht aus Fulleren-Kohlenstoff überzogen sind. Durch diese Struktur können Lichtteilchen besonders effizient in elektrische Ladungen umgewandelt und an den Katalysator weitergeleitet werden. Das Zusammenspiel beider Bauteile macht den entscheidenden Unterschied aus.
So soll die Forschung in die Praxis kommen
Die Forschenden sehen in ihrem System mehr als nur einen Laborversuch. Das künstliche Blatt könnte künftig Sonnenenergie direkt in chemischer Form speichern. Das wäre ein Vorteil gegenüber klassischen Photovoltaikanlagen, bei denen zunächst Strom erzeugt und anschließend gespeichert werden muss.
Zudem entzieht das Verfahren der Atmosphäre Kohlendioxid. Zwar sind die derzeit produzierten Mengen noch klein. Das Team arbeitet jedoch bereits daran, Aufbau und Wirkungsgrad weiter zu verbessern.
Erstautor Bo Shang beschreibt den langen Entwicklungsweg so: „Als ich anfing, schien es mir ein ziemliches Wagnis, ein solches Gerät zum Laufen zu bringen. In fünf Jahren Arbeit bei CHASE haben wir jeden Teil des Geräts von Grund auf entwickelt.“
Und weiter: „Zu sehen, wie es nur Sonnenlicht, Wasser und CO₂ in einen nutzbaren Kraftstoff umwandelt, ist unglaublich befriedigend – und es fühlt sich wirklich nur wie der Anfang dessen an, was dieser Ansatz leisten kann.“
Was hinter einem künstlichen Blatt steckt
Photosynthese in der Natur
Pflanzen, Algen und einige Bakterien nutzen Sonnenlicht, um aus Wasser und Kohlendioxid energiereiche Verbindungen aufzubauen. Sauerstoff entsteht dabei als Nebenprodukt.
Künstliche Photosynthese
Technische Systeme versuchen, diesen Vorgang mit Halbleitern und Katalysatoren nachzubilden. Ziel ist die Herstellung chemischer Energieträger aus erneuerbaren Ressourcen.
Besonderheit des Yale-Systems
- arbeitet ausschließlich mit Sonnenlicht, Wasser und CO₂
- benötigt keine externe Stromquelle
- erzeugt direkt flüssiges Methanol
- könnte Sonnenenergie langfristig chemisch speichern
Noch ist das künstliche Blatt weit von einer industriellen Nutzung entfernt. Die Studie zeigt jedoch, dass die direkte Umwandlung von Sonnenlicht und Luft in flüssige Kraftstoffe technisch möglich ist. Für die Entwicklung nachhaltiger Energieträger könnte das ein wichtiger Zwischenschritt sein.
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