Künstliche Photosynthese: "Der Heilige Gral"

Die Photosynthese der grünen Pflanzen imitieren: Daran will sich das Projekt CataLight unter Beteiligung von Leticia González von der Fakultät für Chemie versuchen. Ziel ist es, Materialien zu entwickeln, in denen sich künstliche Photosynthese betreiben lässt.

Die Natur dient als Vorbild: Grüne Pflanzen nutzen die Sonnenenergie, um aus Wasser und Kohlendioxid energiereiche Kohlenhydrate herzustellen. Bei diesem Prozess wird die Lichtenergie in speicherfähige chemische Energie umgewandelt.

In den vergangenen 15 Jahren nahmen BiologInnen, ChemikerInnen, PhysikerInnen bis hin zu IngenieurswissenschafterInnen die Herausforderung an, den natürlichen Prozess im Labor zu kopieren. Bislang nur mit Teilerfolgen.

"Die künstliche Photosynthese ist der Heilige Gral der Forschung", meint Leticia González, Vorständin des Instituts für Theoretische Chemie an der Universität Wien: "Schon alleine deswegen, weil wir ein Energieproblem haben und dringend saubere, nachhaltige Energieträger benötigen."

Eine frühe Vision


Schon vor über 100 Jahren verwies der italienische Chemiker Giacomo Luigi Ciamician, Pionier der Photochemie, auf die künstliche Photosynthese als eine mögliche und im Gegensatz zur Kohle unerschöpfliche Form der Energiegewinnung. Noch heute treibt die Forschung vor allem eine Vision an: mit Hilfe des Sonnenlichts Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten und damit einen umweltverträglichen Kraftstoff oder energiereiche Chemikalien zu gewinnen.

Die Photosynthese ist aber ein höchst komplexer Prozess mit vielen Bausteinen. Die Herausforderungen liegen im effizienten Design der Lichtabsorber, die als Antennen das Sonnenlicht einfangen. Oder im effizienten Weitertransport der energiereichen Elektronen in die zwei katalytischen Zentren der Photosynthese – jenes für die Oxidations- und jenes für die Reduktionsprozesse: "Diese einzelnen Bausteine müssen auch effizient zusammenarbeiten. Es gibt also viele Möglichkeiten der Prozessoptimierung", erläutert González.

Der Beitrag ist im "Newsletter Forschungsverbund Umwelt" erschienen (Anmeldung). Seit Jahrzehnten wird an der Universität Wien in vielen Instituten erfolgreich zu Umweltfragen gearbeitet. Der Forschungsverbund Umwelt will diese exzellente Umweltforschung nach innen und außen sichtbarer machen.

"Pure Chemie"

Daran will sich das im Sommer in Deutschland gestartete Großprojekt CataLight versuchen. Ziel ist es, Materialien zu entwickeln, in denen sich künstliche Photosynthese betreiben lässt: "Es geht hier um rein chemische Grundlagenforschung", zeigt sich Leticia González begeistert. Fast elf Millionen Euro stehen den ForscherInnen immerhin zur Verfügung.

Unter Leitung der Universitäten Ulm und Jena treffen WissenschafterInnen aus der chemischen Materialforschung, der theoretischen und experimentellen Photochemie und der Photophysik zusammen: Sie arbeiten an den molekularen Komponenten für die künstliche Photosynthese und untersuchen, wie man die einzelnen Bausteine in weiche Materialien integrieren kann. Ziel sei es auch, die zugrundeliegende Theorie voranzutreiben.

Polymer-Matrix verbindet Bausteine

"Wir versuchen, die einzelnen Bausteine der Photosynthese in eine Polymerschicht einzubetten und dabei das optimale Zusammenspiel der einzelnen Komponenten zu finden", so González. Einige bisherige Arbeiten hätten sich darauf konzentriert, die Photosynthese in einer Wasser-basierten Umgebung zum Laufen zu bekommen. "Aber das ist nicht das Medium, in dem die Natur Photosynthese betreibt!"

Die Polymermatrix imitiert laut derzeitigem Stand der Forschung besonders gut die biologische Umgebung, in der die natürliche Photosynthese abläuft. Die Matrix sorgt für die Stabilität des Systems und unterstützt die Austauschprozesse zwischen den einzelnen Komponenten.

Verständnis für erneuerbare Energien verbessern: Der Transregio-Sonderforschungsbereich CataLight verbindet chemische Expertise aus organischer und anorganischer Synthese, Molekül- und Polymerdesign, Spektroskopie und Theorie, um das grundlegende Verständnis auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien zu verbessern. Der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft 2018 eingerichtete Sonderforschungsbereich finanziert über vier Jahre lang insgesamt 17 CataLight-Teilprojekte.

Das Projekt ist ambitioniert. "Man darf aber nicht vergessen, dass dem Projekt mehrere Jahre an Forschung vorausgegangen sind", sagt González, die mit ihrer Gruppe als einziger ausländischer Partner beteiligt ist und die sich auf die Modellierung und Simulation von photochemischen Prozessen, besonders im katalytischen Zentrum der Wasseroxidation, konzentrieren wird.

González kennt die meisten ihrer CataLight-KollegInnen schon seit vielen Jahren. Etwa aus ihrer Zeit an der Universität Jena, wo sie 2004 ihre erste Professur antrat: "Schon damals haben wir die verschiedensten Ansätze für die künstliche Photosynthese diskutiert!"

Fernziel: Künstliche Chloroplasten

Wie greifbar ist nun der langgehegte Traum, Energie aus künstlicher Photosynthese zu gewinnen? "Das Projekt wird nicht sofort das Energieproblem lösen", betont González. Man wolle zunächst ein mechanistisches Verständnis der Wechselwirkungen von lichtgetriebenen molekularen Katalysatoren mit strukturierten weichen Materialien schaffen. Aber Fernziel von CataLight ist es, künstliche Chloroplasten mit genau definiertem Bauplan herzustellen.

"Wie bei der Photovoltaik müssen auch bei der künstlichen Photosynthese verschiedene Forschungsansätze verfolgt werden. Nur so wird die Zeit zeigen, was gut funktioniert", sagt González: "Und wir probieren hier einen neuen vielversprechenden Weg aus." (ly)

Leticia González ist Professorin für Theoretische Chemie der Universität Wien und leitet das Institut für Theoretische Chemie an der Fakultät für Chemie. Die Modellierung und Simulation von photochemischen Prozessen ist einer ihrer Arbeitsschwerpunkte. Für ihre Leistungen zur Modellierung von Wechselwirkungen von Licht und Materie erhielt González jüngst die Insignien und den Ehrentitel eines Doktors Honoris Causa von der Université de Lorraine (Frankreich).