Solarer Langzeitspeicher : Ein Molekül entkoppelt Tag und Nacht
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Die am Tag über Photosynthese gewonnene und in den chemischen Bindungen gespeicherte Sonnenenergie können Pflanzen auch nachts nutzen. Bild: dpa
Vorbild Photosynthese: Ein molekularer Komplex speichert Sonnenenergie, die am Tag eingefangen wurde, und gibt sie bei Bedarf wieder ab. So könnte man auch nachts den Energieträger Wasserstoff klimaneutral produzieren und das CO₂ der Atmosphäre in nützliche Chemikalien umwandeln.
Seit vielen Jahren versuchen Wissenschaftler jenen Prozess zu imitieren, den Pflanzen bei der Photosynthese in großem Maßstab nutzen: die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Dabei erzielen sie mittlerweile zwar beachtliche Erfolge. Doch sind die bisherigen Systeme noch nicht effizient genug oder zu teuer, wenn sie etwa den Energieträger Wasserstoff klimaneutral produzieren und ihn dann anschließend mit dem Kohlendioxid (CO₂) der Atmosphäre in leichte Kohlenwasserstoffe weiterverarbeiten. Die künstliche Photosynthese rechnet sich für die großtechnische Anwendung daher noch nicht. Ein weiterer Nachteil: Wasserstoff und andere Chemikalien können auf photochemischem Weg bislang nur tagsüber produziert werden, wenn die Sonne scheint.
Doch das könnte sich möglicherweise bald ändern. Eine deutsch-irische Forschergruppe hat nun einen molekularen Speicher entwickelt, der Sonnenenergie tagsüber sammelt, mehrere Stunden lang speichert und bei Bedarf wieder abgeben kann. Sonnenenergie, so die Vorstellung, stünde damit gewissermaßen auch nachts für die Produktion von Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen zur Verfügung.
Die Natur hat das Tag-Nacht-Problem bereits gelöst. Die am Tag über Photosynthese gewonnene und in den chemischen Bindungen gespeicherte Sonnenenergie können Pflanzen auch nachts nutzen. Zwar gibt es bereits Halbleitermaterialien, die man als solare Energiespeicher verwenden könnte. Doch die Speicherzeiten sind für die Anwendungen meist zu kurz. Ideal wäre es, man hätte genügend Zeit, die tagsüber aufgenommene Sonnenenergien nachts wieder zu nutzen oder dorthin zu transportieren, wo man sie benötigt.
Saubere Reduktion von CO₂
Dieser Vision sind Martin Schulz von der Universität Jena und seine Kollegen ein großes Stück näher gekommen. Sie haben ein chemisches System auf Basis eines Kupferkomplexes entwickelt, das Lichtenergie sammelt und vierzehn Stunden lang ohne größere Verluste speichern kann. Wie die Forscher im „Journal of the American Chemical Society“ berichten, verwenden sie für ihre Experimente zwei organische Substanzen: Die Verbindung Dimethyltoluidin (DMT) erzeugt, wenn sie mit sichtbarem Licht bestrahlt wird, zwei Protonen und zwei Elektronen. Die beiden Ladungsträger wandern auf den photoaktiven Kupferkomplex mit der Bezeichnung Cu(I) 4H-Imidazolat, auf dem sich die Ladungsträger verteilen und für längere Zeit gespeichert werden. Der geladene Kupferkomplex könnte dann mehrere Stunden lang gelagert und als Reduktionsmittel genutzt werden, um so die solaren Elektronen wieder zu nutzen.
Bringt man den Kupferkomplex in Kontakt mit einem molekularen System, das bevorzugt Elektronen aufnimmt wie Sauerstoff, werden die beiden Elektronen irreversibel transferiert. Aus einem Sauerstoffmolekül werden zwei jeweils zweifach negativ geladene Ionen. (Reagieren diese mit vier Protonen - positiv geladenen Wasserstoffionen - wird daraus Wasser.) Das Verfahren ist äußerst effizient. „Wir können die Elektronen mit dem Sauerstoff zu 90 Prozent wieder zurückholen“, sagt Martin Schulz. Die auf dem Kupferkomplex gespeicherten Elektronen könnte man aber auch für andere Reaktionen nutzen, bei denen mehrere Elektronen gleichzeitig im Spiel sind. So zum Beispiel für die saubere Reduktion von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid, den ersten Schritt zur Herstellung von synthetischen Kraftstoffen oder wichtigen Basischemikalien für Kunststoffe. „Wenn man zwei Elektronen gleichzeitig zu Verfügung hat, laufen Mehrelektronen-Prozesse energetisch günstiger ab, als wenn man nur einzelne Elektronen anbietet“, so Schulz.
Wasserstoffgewinnung auch mit solaren Elektronen?
Die Forschergruppe, darunter Wissenschaftler von der Universität Ulm, vom Leibniz-Institut IFW in Dresden und von der Dublin City University, kann ihren molekularen Energiespeicher mehrmals wiederverwenden. Acht Stünden würde es dauern, bis er vollständig aufgeladen ist. Allerdings laufen die Reaktionen bislang nur im Reagenzglas bei geringen Konzentrationen im Mikro- und Millimolbereich ab, so dass an eine Anwendung derzeit nicht zu denken ist.
Ob die solaren Elektronen sich auch auf Elektrodenmaterialien übertragen lassen, mit denen über die Elektrolyse oder der solaren Wasserspaltung der Energieträger Wasserstoff gewonnen werden könnte, ist derzeit noch unklar. Wie die Frage, wie viel Energie in den solaren Ladungsträgern steckt. Antworten sollen weitere Forschungsarbeiten liefern. Der Tag-Nacht-Zyklus ist bereits effizient entkoppelt.
