Quantenphysik im Blattgrün macht Pflanzen effizienter als Solarzellen
Quantenmechanik ermöglicht verlustfreie Energieübertragung in der Photosynthese. Lässt sich dieses Wissen praktisch nutzen?
Untersuchung einer Probe mit pflanzlichem Chlorophyll, gewonnen aus Tiefkühlspinat. Quantenmechanik ermöglicht es Pflanzen, Sonnenlicht fast verlustfrei in Energie umzuwandeln.
Foto: Andreas Heddergott / TUM
Die Natur nutzt quantenmechanische Effekte, um Sonnenlicht besonders effizient in chemische Energie umzuwandeln. Eine neue Studie der TU München zeigt, dass die Überlagerung quantenmechanischer Zustände einen verlustfreien Energietransfer in Chlorophyll ermöglicht. Die Erkenntnisse könnten helfen, künstliche Systeme zur Energiegewinnung zu optimieren. Ein weiteres Beispiel ist das Blaualgenkraftwerk in Cambridge, das über ein Jahr lang kontinuierlich Strom durch Photosynthese erzeugen konnte.
Wie Quantenmechanik die Photosynthese optimiert
Die Natur hat einen Weg gefunden, Sonnenlicht mit höchster Effizienz in chemische Energie umzuwandeln. Pflanzen und andere photosynthetische Organismen nutzen dabei Prozesse, die weit über klassische Physik hinausgehen. Forschende der Technischen Universität München (TUM) konnten zeigen, dass quantenmechanische Effekte eine entscheidende Rolle spielen.
Die Professur für Dynamische Spektroskopien der TUM hat in einer aktuellen Studie herausgefunden, dass die Energieaufnahme und der Weitertransport in photosynthetischen Molekülen durch Quanteneffekte begünstigt werden. Das Team um Erika Keil und Prof. Jürgen Hauer hat dies durch gezielte Messungen und Simulationen belegt. Ihre Erkenntnisse könnten in Zukunft helfen, künstliche Systeme zur Energieumwandlung effizienter zu gestalten.
Quantenmechanik im Blattgrün
Pflanzen fangen Sonnenlicht äußerst effizient ein. Dabei wird die Energie des Lichts nicht einfach von einem Molekül zum nächsten weitergegeben, sondern verteilt sich gleichzeitig auf mehrere Zustände. Dieser als „Superposition“ bezeichnete Effekt ist eine zentrale Eigenschaft der Quantenmechanik.
Prof. Jürgen Hauer erklärt: „Wenn Licht zum Beispiel in einem Blatt absorbiert wird, ist die elektronische Anregung über mehrere Zustände verteilt; man spricht von einer sogenannten Superposition. Das ist die erste Stufe eines verlustfreien Energietransfers innerhalb der Moleküle und eines effizienten Weitertransports der Sonnenenergie.“
Ohne diese quantenmechanischen Effekte wäre die Energieumwandlung in Pflanzen weit weniger effizient. Die Energie würde zu einem großen Teil als Wärme verloren gehen, bevor sie zur Produktion von chemischer Energie genutzt werden kann.
Neue Erkenntnisse zur Rolle von Chlorophyll
Die Forschenden der TUM haben zwei zentrale Bereiche des Lichtspektrums untersucht, in denen Chlorophyll Licht absorbiert: den energiearmen Q-Bereich (gelb-grün bis rot) und den energiereichen B-Bereich (blau). Besonders im Q-Bereich gibt es zwei gekoppelte elektronische Zustände, die sich quantenmechanisch beeinflussen. Diese Kopplung ermöglicht einen extrem schnellen Energietransport.
Nach der ersten Energieaufnahme gibt das System einen Teil der Energie in Form von Wärme ab. Dadurch stabilisieren sich die Moleküle, bevor die restliche Energie in chemische Prozesse übergeht. Die Studie zeigt damit, dass quantenmechanische Effekte eine fundamentale Rolle bei biologischen Prozessen spielen.
Photosynthese als Vorbild für neue Energietechnologien
Die Idee, natürliche Prozesse für technische Anwendungen zu nutzen, ist nicht neu. Forschende arbeiten weltweit daran, die Mechanismen der Photosynthese zu entschlüsseln und in künstlichen Systemen nachzubilden.
Ein Beispiel für eine innovative Nutzung ist das sogenannte Blaualgen-Kraftwerk. Ingenieurinnen und Ingenieure der Universität Cambridge haben ein System entwickelt, das mithilfe von Blaualgen kontinuierlich Strom erzeugt.
Ein Jahr lang hat dieses System einen Mikroprozessor allein mit Umgebungslicht und Wasser betrieben. Die Blaualgen setzten dabei elektrischen Strom frei, der mit einer Aluminiumelektrode interagierte. Besonders überraschend war, dass das System auch nachts funktionierte. Forschende vermuten, dass die Algen gespeicherte Nährstoffe nutzen, um weiterhin Energie zu liefern.
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