Grüner Wasserstoff soll die Energiewende entscheidend voranbringen, allerdings fehlt es noch an effizienten und kostengünstigen Methoden, diesen herzustellen. Die Universität Oxford meldet hier einen wichtigen Fortschritt. Forschende haben einen neuen Ansatz entwickelt, um Wasserstoff mit Hilfe gentechnisch veränderter Bakterien zu erzeugen. Diese sogenannten „Wasserstoff-Nanoreaktoren“ nutzen Sonnenlicht, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
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Warum grüner Wasserstoff so wichtig ist
Grüner Wasserstoff gilt als eine Schlüssellösung für die Energiewende. Er verbrennt sauber, ohne klimaschädliches Kohlendioxid freizusetzen. Doch die industrielle Herstellung von Wasserstoff hängt bisher stark von fossilen Brennstoffen ab. Dabei entstehen pro Kilogramm Wasserstoff bis zu 13,6 Kilogramm CO2.
Um diese Emissionen zu reduzieren, setzen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf erneuerbare Energien und innovative Technologien. Der neue biotechnologische Ansatz könnte eine klimafreundliche Alternative schaffen.
Der Einsatz von Bakterien in der Wasserstoffproduktion
Das Herzstück der Innovation ist das Bakterium Shewanella oneidensis. Diese elektroaktive Spezies wurde genetisch modifiziert, um Elektronen, Protonen und das Enzym Hydrogenase im sogenannten periplasmatischen Raum anzureichern. Dieser Raum, der sich zwischen der inneren und äußeren Membran der Zelle befindet, bietet ideale Bedingungen für chemische Reaktionen.
Das Forschungsteam integrierte zudem eine lichtaktivierte Elektronenpumpe in die Bakterien. Diese Pumpe treibt Protonen mit Hilfe von Sonnenlicht in den periplasmatischen Raum. In Kombination mit Nanopartikeln aus reduziertem Graphenoxid und Eisensulfat wurde der Elektronentransfer optimiert. Dadurch konnte die Effizienz der Wasserstoffproduktion erheblich gesteigert werden.
Wie die Technologie funktioniert
Die genetischen Modifikationen des Bakteriums folgen diesem Ansatz:
- Anreicherung von Schüsselkomponenten: Elektronen, Protonen und das Enzym Hydrogenase werden im periplasmatischen Raum konzentriert. Dieser Raum ist nur 20 bis 30 Nanometer breit und bietet eine „Nano-Umgebung“, die chemische Reaktionen effizienter macht.
- Lichtaktivierte Elektronenpumpe: Ein Gloeobacter-Rhodopsin wurde eingebaut, das Protonen unter Lichteinfluss in den periplasmatischen Raum transportiert. Das Pigment Canthaxanthin verstärkt diesen Prozess, indem es zusätzliche Photonenenergie einfängt.
- Verstärkter Elektronentransfer: Nanopartikel aus Graphenoxid und Eisensulfat verbessern die Weiterleitung von Elektronen innerhalb der Zelle. Dies steigert die Gesamtleistung erheblich.
Durch diese Modifikationen konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine zehnfache Steigerung der Wasserstoffausbeute im Vergleich zu unmodifizierten Bakterien erreichen.
Einsatz in „künstlichen Blättern“
Eine vielversprechende Anwendung dieser Technologie sind „künstliche Blätter“. Dabei handelt es sich um mit den modifizierten Bakterien beschichtete Kohlefasergewebe. Diese Blätter könnten in der Sonne platziert werden und sofort mit der Wasserstoffproduktion beginnen.
„Die natürliche Struktur des Periplasmas von Shewanella oneidensis bietet optimale Bedingungen, um Protonen und Elektronen effizient zu konzentrieren“, erklärte Weiming Tu, Doktorand und Erstautor der Studie. Dieses Design reduziert den Energiebedarf für die Wasserstoffproduktion erheblich. Langfristig könnten solche Blätter die Wasserstoffproduktion auf große Maßstäbe ausweiten.
Vorteile und Herausforderungen
Der biotechnologische Ansatz bietet laut Forschungsteam zahlreiche Vorteile:
- Umweltfreundlichkeit: Das Verfahren ist CO2-neutral und nutzt erneuerbare Ressourcen.
- Kostenersparnis: Der Einsatz teurer Edelmetallkatalysatoren kann vermieden werden.
- Sicherheit: Die Wasserstoffproduktion erfolgt bei niedrigen Temperaturen und Drücken.
Trotz der Fortschritte bleiben Herausforderungen. Die Skalierung der Technologie auf industrielle Größenordnungen erfordert weitere Forschung. Zudem muss die Stabilität der Bakterien unter realen Bedingungen überprüft werden.
Die Forschenden sind dennoch optimistisch, dass ihre Arbeit die Grundlage für weitere Innovationen in der Energiewirtschaft legen kann. Neben der Wasserstoffproduktion könnte die Technologie auch zur Herstellung anderer Bioprodukte wie biologisch abbaubare Kunststoffe genutzt werden. Professor Ian Thompson betonte: „Unser Bionanoreaktor hat gezeigt, welches Potenzial Biokatalysatoren für die nachhaltige Energieerzeugung haben.“
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