Wasserstoff aus Blaualgen: Uni Kassel gelingt entscheidender Schritt
Blaualgen produzieren Wasserstoff aus Licht, beschädigen sich dabei aber selbst. Forscher haben in Kassel nun eine Methode entwickelt, die dieses Problem löst.
Prof. Dr. Kirstin Gutekunst an einem Kultivierungsschrank mit Cyanobakterien-Kulturen an der Universität Kassel.
Foto: Stefan Weydert
Vor rund 2,4 Mrd. Jahren veränderten Cyanobakterien die Erde grundlegend. Die winzigen Organismen, umgangssprachlich als Blaualgen bekannt, reicherten die Atmosphäre mit dem ersten Sauerstoff an und ermöglichten damit komplexes Leben. Heute rücken sie aus einem anderen Grund in den Fokus der Forschung: Unter bestimmten Bedingungen produzieren sie auch Wasserstoff.
Das klingt nach der idealen Energiequelle. Kein Strom aus dem Netz, keine fossilen Rohstoffe, kein CO₂. Die Suche nach lichtgetriebenem Wasserstoff treibt Forschende weltweit um – manchmal führt sie über simple Zufallsentdeckungen im Labor, manchmal über jahrelange systematische Arbeit. Die Kasseler Studie gehört zur zweiten Kategorie. Denn der Prozess der Cyanobakterien hat einen großen Schwachpunkt – und den haben die Forscher nun beseitigt.
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Wie Cyanobakterien Energie erzeugen
Cyanobakterien versorgen sich über einen Prozess mit Energie, den Fachleute als oxygene Photosynthese bezeichnen: Mithilfe von Sonnenlicht spalten sie Wasser und setzen dabei Sauerstoff frei. Darüber hinaus besitzen einige Arten von Cyanobakterien – darunter der in der Forschung häufig eingesetzte Stamm Synechocystis – sogenannte Hydrogenasen. Diese Enzyme können Protonen in molekularen Wasserstoff (H₂) umwandeln.
Der Schlüssel für diesen Prozess ist das sogenannte Photosystem I, ein Proteinkomplex, mit dem die Bakterien Licht einfangen. Er liefert auch die Elektronen, die die Hydrogenase für die Wasserstoffproduktion benötigt. Der gesamte Prozess läuft damit rein lichtgetrieben; im Prinzip erzeugen die Bakterien also Wasserstoff aus Wasser und Sonnenlicht, ohne externe Energiezufuhr.
Theoretisch wäre das ein eleganter Weg zu grünem Wasserstoff. Praktisch scheitert er aber bisher an einem chemischen Widerspruch.
Warum sich die Bakterien selbst sabotieren
Bei der Photosynthese entsteht zwangsläufig Sauerstoff – und der ist ein Problem. Denn Hydrogenasen sind extrem sauerstoffempfindlich: Schon geringe O₂-Konzentrationen reichen aus, um die Enzyme irreversibel zu schädigen. Die Bakterien zerstören also mit ihrem eigenen Stoffwechselprodukt die Fähigkeit, Wasserstoff zu produzieren.
Bisherige Lösungsansätze versuchten, den Sauerstoff nachträglich aus dem System zu entfernen; etwa durch chemische Sauerstofffänger oder den Einsatz zusätzlicher Kohlenhydrate. Doch diese Methoden erfordern zusätzliche Chemikalien, was der Idee einer nachhaltigen, autarken Produktion widerspricht.
Das ist die Lösung aus Kassel
Das Forschungsteam mit Expert:innen der Universität Kassel, der Ruhr-Universität Bochum und der Universidade Nova de Lisboa hat daher den folgenden Ansatz gewählt: Statt den Sauerstoff nachträglich zu entfernen, verhindern die Forschenden, dass er überhaupt an die empfindlichen Enzyme gelangt. „Unser Ansatz kombiniert die Vorteile lebender Zellen – wie Selbstreparatur und Langlebigkeit – mit der Präzision elektrochemischer Systeme“, erläutert Prof. Dr. Kirstin Gutekunst von der Universität Kassel.
- Was sie meint: Die Forscher haben die Cyanobakterien in ein spezielles Redoxpolymer eingebettet, das auf einer Elektrode aufgebracht ist.
- Das Polymer enthält sogenannte Viologengruppen, also chemische Verbindungen, die sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung reduzieren lassen. Im reduzierten Zustand reagieren sie sofort mit Sauerstoff und bauen ihn ab, bevor er die Hydrogenasen erreicht.
- Dadurch entsteht um die Zellen herum eine sauerstofffreie Mikroumgebung. Die Bakterien betreiben weiterhin Photosynthese und liefern über das Photosystem I Elektronen an die Hydrogenasen – aber der Sauerstoff wird lokal abgefangen, bevor er Schaden anrichten kann. Der Wasserstoff kann also ungehindert weiterproduziert werden.
Gentechnik steigert die Effizienz
Besonders vielversprechend waren die Ergebnisse laut der Universität Kassel mit genetisch modifizierten Cyanobakterien. In diesen Mutanten koppelten die Forschenden die Hydrogenase direkt an das Photosystem I. Die beiden Komponenten, die normalerweise über mehrere Zwischenschritte verbunden sind, arbeiten so unmittelbar zusammen.
Die optimierten Stämme produzierten im neuen Redoxpolymer-System deutlich länger und stabiler Wasserstoff als die unveränderten Wildtyp-Zellen, so die Forschenden. Die direkte Kopplung von Hydrogenase und Photosystem I sorgt dafür, dass die Elektronen aus der Photosynthese effizienter zur Wasserstoffproduktion geleitet werden. Das Prinzip ist bekannt: weniger Verluste auf dem Weg, mehr Ausbeute am Ende.
Einordnung: Wo steht biologischer Wasserstoff im Vergleich?
Die Idee, Wasserstoff mithilfe von Sonnenlicht zu erzeugen, verfolgen Forschende weltweit auf verschiedenen Wegen. Die Kasseler Studie ist also bei Weitem nicht der einzige Ansatz, der Licht als Energiequelle nutzt:
- Die klassische Elektrolyse mit Solarstrom – also die Kombination aus Photovoltaikanlage und Elektrolyseur – ist derzeit der technologisch reifste Pfad zu grünem Wasserstoff. Der Wirkungsgrad liegt, je nach Elektrolysetechnologie, bei rund 60 bis 80 % bezogen auf den eingesetzten Strom, die Gesamtkette von Sonnenlicht zu Wasserstoff erreicht etwa 15 bis 20 %. Der Nachteil: hoher Investitionsbedarf.
- Photoelektrochemische und photokatalytische Systeme wollen diesen Umweg eliminieren, also Licht direkt, ohne den Zwischenschritt Strom, in Wasserstoff umwandeln. Das KIT-Spin-off Photreon etwa will mit einem photokatalytischen Reaktor Elektrolyseure komplett überflüssig machen. Schwedische Forschende haben gezeigt, dass diese Photokatalyse auch ohne teure Platin-Katalysatoren funktionieren kann. Und ein australisches Team setzt auf einen ganz anderen Weg: Ihr flüssiges Gallium erzeugt in Kombination mit Sonnenlicht Wasserstoff direkt aus Meerwasser.
- Zudem gibt es eben die biologischen Ansätze, wie sie Cyanobakterien repräsentieren. Neben den Blaualgen erforschen Teams weltweit auch Grünalgen, die unter Schwefelmangel Wasserstoff produzieren können. Auch hier spielt das Sauerstoffproblem eine Rolle.
Ausblick: Biophotovoltaik als Langfristperspektive
Die biologischen Verfahren stehen allesamt noch am Anfang. Ihre Wirkungsgrade liegen weit unter denen der Elektrolyse, und die Skalierung vom Labor in den Produktionsmaßstab ist ungeklärt. Ihr theoretischer Vorteil: Die Organismen reparieren sich selbst, vermehren sich und benötigen im Idealfall nur Wasser, Sonnenlicht und CO₂.
Der nächste Schritt wäre, das Kasseler System aus dem Labormaßstab in größere Dimensionen zu überführen. So gäbe es die Grundlage für belastbare Effizienzzahlen, die einen echten Vergleich mit etablierten Technologien erlauben. Eine am 26. Mai veröffentlichte Pressemitteilung der Universität bleibt hier vage; konkrete Wirkungsgrade nennt die Studie nicht öffentlich.
Noch sind die milliardenalten Blaualgen also keine Konkurrenz für moderne Technologien wie etwa PEM-Elektrolyseure. Aber die Studie zeigt: Die Organismen, die einst die Erdatmosphäre mit Sauerstoff füllten, könnten eines Tages auch bei der Wasserstoffproduktion eine Rolle spielen
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