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Hilfe aus dem Labor : Grünes Tuning für die Photosynthese

  • -Aktualisiert am

Stomata auf einem Blatt französischen Lavendels (Lavandula dentata) in zweitausendfacher Vergrößerung Bild: Science Photo Library

Photosynthese verwandelt seit Jahrmilliarden atmosphärisches CO₂ in Biomasse. Doch der Prozess ist erstaunlich ineffizient. Das muss sich doch verbessern lassen, glauben Wissenschaftler und basteln bereits an „künstlichem Spinat“.

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          Wie bekommen wir das Kohlendioxid, das durch das Verfeuern fossiler Brennstoffe in die Luft gelangt ist, da wieder raus? Vorschläge, wie solche „negativen Emissionen“ zu bewerkstelligen wären, gibt es so einige. Allerdings existiert bereits ein natürlicher Prozess, der das leistet: die Photosynthese. Dieser Stoffwechselvorgang in Algen und Grünpflanzen saugt jedes Jahr rund 400 Gigatonnen CO₂ aus der irdischen Atmosphäre. Schon seit zwei bis drei Milliarden Jahren sind photosynthetisierende Organismen aktiv, und ihr Abgas, der Sauerstoff, hat die Entwicklung mehrzelligen höheren Lebens überhaupt erst ermöglicht. „Die globale Gesamtleistung der Photosynthese entspricht umgerechnet etwa 215 Terawatt“, sagt Axel Kleidon vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena. „Das übertrifft alle nichtbiologischen Prozesse in der Atmosphäre zusammengerechnet um mehr als das Vierfache.“ Zum Vergleich: Den Energiebedarf der Menschheit deckten 2018 knapp 19 Terawatt über das Jahr laufender Gesamtleistung.

          So beeindruckend das ist, näher betrachtet ist die Effizienz der Photosynthese überraschend mickrig. „Selbst in den hochproduktiven Regenwäldern Amazoniens kommt die Photosyntheseleistung nur auf etwa drei Watt pro Quadratmeter“, erklärt Kleidon. Dabei stellt die Sonne in Äquatorregionen 165 Watt pro Quadratmeter an Strahlungsleistung zur Verfügung, und in unseren Breiten sind es immer noch 100 Watt. Das bedeutet, dass die Pflanzen des Regenwalds nur etwa 1,8 Prozent des solaren Energieflusses nutzen können. Etwa die Hälfte davon benötigen sie, um ihren Stoffwechsel in Gang zu halten, mit der anderen Hälfte binden sie CO₂.

          Photovoltaik ist zehn Mal effizienter

          Im tropischen Regenwald werden damit etwas mehr als ein Kilogramm Kohlenstoff pro Quadratmeter und Jahr fixiert. Im Ozean ist die Photosynthese – vor allem infolge des eingeschränkten Nährstoffangebots – sogar nur halb so effizient wie an Land. Doch selbst gut gedüngte Agrarflächen erreichen kaum mehr als drei Prozent Effizienz. Im Vergleich zu einem Wirkungsgrad von rund zwanzig Prozent, mit dem heutige kommerzielle Photovoltaikanlagen die Energie des Sonnenlichts in Strom umwandeln, steht die Photosynthese also verblüffend schwach da. Warum? Hat die Evolution hier also ausnahmsweise einmal die schlauste Lösung verfehlt?

          Vegetabil: Röntgenstrahlen haben hier ein Beugungsmuster des Photosynthese-Enzyms  RuBisCO erzeugt  und gewähren Einblicke in seine Molekularstruktur.
          Vegetabil: Röntgenstrahlen haben hier ein Beugungsmuster des Photosynthese-Enzyms RuBisCO erzeugt und gewähren Einblicke in seine Molekularstruktur. : Bild: Science Photo Library

          Auf diese Frage gibt es verschiedene Antworten, je nachdem, ob man sich ihr aus mikroskopischer Perspektive nähert oder aus makroskopischer wie Axel Kleidon. Neben detaillierten Computersimulationen bedient er sich dazu außerdem analytischer Modelle aus dem Werkzeugkasten der Physik. Damit konnte er zeigen, dass die entscheidende Hürde für eine größere Effizienz der Photosynthese gar nicht in deren molekularem Mechanismus steckt, sondern im Gasaustausch mit der Umwelt.

          Kleidon argumentiert vor allem mit der Thermodynamik, der Lehre von der Umwandung der Energieformen. Damit lässt sich ausrechnen, dass die Bindung des Kohlenstoffs durch den Photosyntheseapparat grundsätzlich etwa 19 Prozent der Energie in der eingefangenen Solarstrahlung nutzen kann und damit durchaus an die aktuelle Photovoltaik herankäme – und das, obwohl Pflanzen nur den langwelligen, roten Teil des solaren Farbspektrums nutzen. Lichtwellen anderer Farben lassen die pflanzlichen Farbstoffe, die Chlorophylle, übrig, weswegen Pflanzen grün aussehen.

          Die Pflanze als Wärmekraftmaschine

          Nun sollte die Photosynthese, wenn man eine Bilanz der beteiligten chemischen Reaktionen aufstellt, mit einem Kilogramm Wasser rund 670 Gramm Kohlenstoff in Pflanzenmaterial binden können. Tatsächlich sind es aber gerade einmal etwa zwei Gramm Kohlenstoff pro Kilogramm verbrauchtem Wasser. Der genaue Wert variiert etwas je nach Klimazone, Pflanzenart und Variante des Photosyntheseprozesses. Doch die Größenordnung dieser „Wassernutzungseffizienz“ gilt grundsätzlich. Das brachte Kleidon auf eine Spur: Der eigentliche Flaschenhals für die Effizienz sitzt ganz am Ende, in der Transpiration der Pflanzen über die Spaltöffnungen der Blätter.

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