Flüssiges Gallium statt Elektrolyse: Wasserstoff direkt aus Meerwasser
Flüssiges Gallium erzeugt mit Sonnenlicht Wasserstoff aus Meer- und Süßwasser. Das gelingt ohne Strom und ohne Elektrolyse.
Flüssiges Gallium in der Hand: Das Metall schmilzt knapp über Raumtemperatur und spielt eine zentrale Rolle bei der lichtgetriebenen Wasserstoffgewinnung aus Wasser.
Foto: Smarterpix / megaflopp
Wasserstoff gilt vielen als Schlüssel für eine klimafreundliche Energieversorgung. Doch die Herstellung ist bis heute aufwendig. Meist braucht es Strom, reines Wasser oder komplexe Anlagen. Ein Forschungsteam zeigt nun einen anderen Weg. Flüssiges Metall, Licht und gewöhnliches Wasser reichen aus, um Wasserstoff freizusetzen – sogar aus Meerwasser.
Im Zentrum der Arbeit steht Gallium. Das Metall schmilzt knapp über Raumtemperatur. Es lässt sich leicht verflüssigen und besitzt ungewöhnliche chemische Eigenschaften. Genau diese machen sich die Forschenden zunutze. Sie suspendieren feine Galliumpartikel in Wasser und setzen das Gemisch Licht aus. Der Rest geschieht von selbst.
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Wasserstoff direkt aus Meerwasser
„Wir haben jetzt eine Möglichkeit, nachhaltigen Wasserstoff aus Meerwasser zu gewinnen, das leicht zugänglich ist, und dabei ausschließlich Licht für die Produktion von grünem Wasserstoff zu nutzen“, sagt Hauptautor Luis Campos.
Der Ansatz unterscheidet sich grundlegend von klassischer Elektrolyse. Dort trennt elektrischer Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Das erfordert sauberes Wasser und stabile Netze. Beides ist nicht überall verfügbar. Das neue Verfahren kommt ohne Stromanschluss aus. Sonnenlicht genügt. Auch Salze oder Verunreinigungen im Wasser stören den Prozess kaum.
Was Gallium so besonders macht
Gallium wirkt auf den ersten Blick unscheinbar. Bei Raumtemperatur ist es fest. Erwärmt man es leicht, wird es flüssig und erinnert an Quecksilber. Chemisch verhält es sich ungewöhnlich. Seine Oberfläche ist unter normalen Bedingungen wenig reaktiv. Doch unter Lichteinfluss ändert sich das.
„Gallium wurde bisher noch nicht als Möglichkeit zur Erzeugung von Wasserstoff in hohen Mengen bei Kontakt mit Wasser untersucht – eine so einfache Beobachtung, die bisher ignoriert wurde“, sagt Studienleiter Kourosh Kalantar-Zadeh.
Trifft Licht auf flüssiges Gallium im Wasser, reagiert die Oberfläche. Das Metall oxidiert langsam. Dabei entstehen Wasserstoff und Galliumoxyhydroxid. Der Wasserstoff entweicht als Gas. Der feste Reaktionsrest bleibt zurück.
Ein chemischer Kreislauf
Entscheidend ist, dass der Prozess nicht beim Oxid endet. Das entstandene Galliumoxyhydroxid lässt sich wieder in metallisches Gallium zurückverwandeln. Das Metall steht danach erneut für die Wasserstoffproduktion bereit.
„Nachdem wir den Wasserstoff extrahiert haben, kann das Galliumoxyhydroxid wieder zu Gallium reduziert und für die zukünftige Wasserstoffproduktion wiederverwendet werden – was wir als zirkulären Prozess bezeichnen“, erklärt Kalantar-Zadeh.
In ersten Versuchen erreichte das Team eine maximale Effizienz von 12,9 %. Gemeint ist der Anteil der eingestrahlten Lichtenergie, der im Wasserstoff chemisch gespeichert wird. Für eine frühe Demonstration ist das ein relevanter Wert.
„Für den ersten Proof-of-Concept halten wir die Effizienz dieser Technologie für sehr wettbewerbsfähig. So begannen beispielsweise Silizium-basierte Solarzellen in den 1950er Jahren mit sechs Prozent und überschritten bis in die 1990er Jahre nicht die 10-Prozent-Marke.“
Warum Wasserstoff so gefragt ist
Wasserstoff verbrennt ohne Schadstoffe. Übrig bleibt Wasser. Gleichzeitig lässt sich viel Energie speichern. Industrie, Verkehr und Chemie setzen daher große Hoffnungen auf den Energieträger. Entscheidend ist die Herkunft. Nur wenn Wasserstoff mit erneuerbaren Quellen erzeugt wird, gilt er als „grün“.
Bisher scheitert das oft an Kosten oder Infrastruktur. Elektrolyseure brauchen Strom. Photokatalytische Verfahren liefern meist geringe Ausbeuten. Andere Ansätze, etwa mit Plasma, sind technisch komplex. Das Gallium-Verfahren umgeht mehrere dieser Hürden. Es nutzt Licht direkt. Es toleriert Meerwasser. Und es arbeitet in einem geschlossenen Materialkreislauf.
Von der Laboridee zur Anwendung
„Wasserstoff bietet eine saubere Energielösung für eine nachhaltige Zukunft und könnte eine entscheidende Rolle für Australiens internationalen Vorsprung in der Wasserstoffwirtschaft spielen“, sagt Projektleiter Francois Allioux.
Bis zur Anwendung ist es noch ein Weg. Die Effizienz muss steigen. Auch Fragen zu Materialkosten und Langzeitstabilität sind offen. Gallium ist kein Massenmetall. Die Forschenden arbeiten daher an Reaktorkonzepten und an der Skalierung.
Der nächste Schritt ist ein mittelgroßer Demonstrator. Er soll zeigen, ob sich das Verfahren außerhalb des Labors betreiben lässt. Gelingt das, könnte flüssiges Metall künftig dort Wasserstoff liefern, wo Sonne und Wasser vorhanden sind – und sonst wenig.
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