Künstliche Photosynthese: Sonne + CO2 + Wasser = sauberer Kraftstoff

Photosynthese – der Energielieferant der Natur – ermöglicht in den Augen von Wissenschaftlern nichts Geringeres als das Leben auf der Erde. Dabei wandeln Pflanzen Sonnenlicht in Energie um, die sie zum Wachsen benötigen. In einem ähnlichen Prozess hoffen Forscher, saubere Kraftstoffe herzustellen. Bisher gestaltete sich die Trennung und Aufbereitung der Kraftstoffe jedoch schwierig.

Forscher der Universität Cambridge haben nun ein Gerät entwickelt, das diesen letzten Schritt überflüssig macht. Die künstliche Photosynthese wandelt Sonnenlicht, CO₂ und Wasser in Sauerstoff und Ameisensäure um. Offiziell als Methansäure (CH₂O₂) bezeichnet, kann Ameisensäure entweder direkt gespeichert und verwendet oder in Wasserstoff umgewandelt werden.

„Wir hoffen, dass diese Technologie den Weg zu einer nachhaltigen und praktischen Produktion von Solarbrennstoffen ebnen wird“, sagte Prof. Erwin Reisner von der Universität von Cambridge (Großbritannien). Gemeinsam mit Studienautorin Dr. Qian Wang veröffentlichte Reisner die Ergebnisse in der Zeitschrift „Nature Energy“.

Vom „künstlichen Blatt“ zur Ameisensäure

Die Gewinnung von Sonnenenergie zur Umwandlung von Kohlendioxid in Treibstoff ist ein vielversprechender Ersatz für fossile Brennstoffe. Bislang ist es jedoch eine große Herausforderung, diese sauberen Brennstoffe ohne unerwünschte Nebenprodukte herzustellen. „Es war schwierig, […] so viel Sonnenlicht wie möglich in den gewünschten Brennstoff umzuwandeln [sodass, man] nicht mit einer Menge Abfall zurückbleibt“, sagte Dr. Wang.

„Darüber hinaus kann die Lagerung von gasförmigen Brennstoffen und die Trennung von Nebenprodukten kompliziert sein“, weiß Prof. Reisner von früheren Entwicklungen. So gelang den Forschern in einem „künstlichen Blatt“ bereits 2019 die Umwandlung von Sonnenlicht, CO₂ und Wasser zu Synthesegas. „Wir wollten zu dem Punkt kommen, an dem wir sauber einen flüssigen Brennstoff herstellen können“, erklärt der Professor die neue Entwicklung.

Während das künstliche Blatt Komponenten aus Solarzellen verwendete, benötigt das neue Gerät diese Komponenten nicht und stützt sich ausschließlich auf Photokatalysatoren, die auf einer Folie eingebettet sind. Die Folien bestehen nach Angaben der Forscher aus „Halbleiterpulvern, die in großen Mengen einfach und kostengünstig hergestellt werden können“.

Entscheidender Vorteil der neuen Entwicklung ist jedoch der gewonnene Treibstoff. Ameisensäure ist leichter zu lagern und zu transportieren. Zudem biete sie das „Potenzial für die Herstellung von Brennstoffprodukten in großem Maßstab“.

Photosynthese auf Solarpark-Niveau

„Wir waren überrascht, wie gut es in Bezug auf seine Selektivität funktioniert – es entstehen fast keine Nebenprodukte“, sagte Dr. Wang. „Manchmal funktionieren die Dinge nicht so gut, wie man erwartet hat, aber es funktionierte tatsächlich besser [als erwartet].“

Die Testanlage der Forscher misst 20 Quadratzentimeter. Es sei aber „relativ einfach“, sie auf mehrere Quadratmeter zu skalieren und beispielsweise wie in einem Solarpark aufzustellen. Auch der Katalysator zur Umwandlung von Kohlendioxid auf Kobaltbasis sei leicht herzustellen und relativ stabil.

Bevor ein kommerzieller Einsatz in Betracht gezogen werden kann, müssen sowohl die Stabilität als auch die Effizienz noch verbessert werden. Die Forscher experimentieren zudem mit einer Reihe von verschiedenen Katalysatoren, um verschiedene solare Brennstoffe zu erhalten.

(Mit Material der Universität von Cambridge (Großbritannien))