Solarenergie Grüne Vorbilder

Mit der Photosynthese verwandeln Pflanzen das Sonnenlicht in klimafreundliche Energie. Forscher wollen diesen Prozess nachahmen.

Wenn Daniel Nocera Vorträge hält, erzählt er seinem Publikum oft erst einmal, warum ihn seine Kollegen hassen. »Ich erkläre die Dinge gern sehr einfach.« Und: »Manche sagen, ich machte alles kaputt. Ich wolle auch das Stromnetz zerstören.« Das könnte die wirre Äußerung eines technophoben Maschinenstürmers sein – oder der erste Schritt zu einer dezentralen und umweltfreundlichen Energieversorgung.

Nocera ist für zwei Dinge berühmt. Erstens: für seine große Klappe. Zweitens: dafür, dass er das Zeug dazu hat, seine Visionen zumindest teilweise Wirklichkeit werden zu lassen. Der Chemiker vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge bei Boston arbeitet seit Jahren daran, die Energie- und Klimaprobleme der Welt zu lösen. Er will nachahmen, was jedes grüne Blatt, jeder Grashalm, jede Alge und viele Bakterien hinbekommen: Sie verwandeln das Licht der Sonne in chemische Verbindungen wie etwa Zuckermoleküle – die sie brauchen, um zu wachsen und sich zu vermehren.

Die Photosynthese ist eine mehr als 2,5 Milliarden Jahre alte Innovation der Natur. Das gesamte Leben auf diesem Planeten hängt davon ab. Sie sorgt für die pflanzliche Nahrung von Mensch und Tier. Und auch die Energieträger Kohle, Erdöl und Erdgas würde es ohne Photosynthese nicht geben, denn sie entstanden in Jahrmillionen aus Pflanzenresten, die in tiefe Erdschichten abgesunken waren. Kein Wunder, dass die Menschen, seit sie anfingen zu verstehen, was sich im Inneren der Blätter abspielt, diesen Prozess nachahmen wollen, um Energie zu gewinnen.

Infografik Photosynthese

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Den Pflanzentrick im Labor zu imitieren ist Nocera nun zumindest teilweise gelungen. Ende September präsentierte er in dem angesehenen Fachjournal Science den Prototypen eines »künstlichen Blatts«. Er produziert allerdings kein Adenosintriphosphat (ATP) – das Zellen als Energieträger für den Aufbau von Zuckermolekülen dient –, sondern Wasserstoff. Das ist zum Antreiben von Maschinen ohnehin zweckmäßiger: Der Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff aus der Luft, und dabei wird sehr viel Energie frei, mit der etwa eine Brennstoffzelle Strom produzieren kann. Auch während der pflanzlichen Photosynthese entsteht Wasserstoff. Er taucht allerdings niemals gasförmig in einer Zelle auf, sondern ist nur ein Zwischenprodukt auf dem Weg vom Sonnenlicht zum Adenosintriphosphat.

Technisch ist die Produktion von Wasserstoff schon lange kein Geheimnis mehr. Mithilfe von Elektrolyse-Maschinen werden Wassermoleküle elektrisch in ihre Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerrissen. Diese Geräte verbrauchen allerdings viel Energie – keine gute Idee, wenn man eigentlich Energie gewinnen möchte. Wie Nocera suchen Hunderte von Forschern auf der ganzen Welt nach einem Weg, Wassermoleküle effizienter zu spalten.

Vor fast vier Jahren hatte Nocera sein Aha-Erlebnis. Nach einer Serie von missglückten Experimenten rührte der Chemiker Kobalt- und Phosphatpulver in ein Glas voll Wasser, hängte zwei Drähte in das Gemisch, setzte sie unter Strom – und sah Wasserstoff an die Oberfläche perlen. Es dauerte dann noch Jahre, bis er einen funktionierenden Prototyp konstruiert hatte. Heute mischt er seinen Katalysator nicht mehr ins Wasser, sondern trägt ihn auf der Rückseite von handelsüblichen Solarzellen auf. Die liefern den geringen Strom, den auch sein Wasserspalter noch immer braucht. Mit 2,5 Prozent Wirkungsgrad ist sein künstliches Blatt schlechter als das natürliche Vorbild und hinkt auch modernen Solarzellen weit hinterher. »Das ist vielleicht nicht der leistungsfähigste Weg, Wasser zu spalten«, sagt Nocera. »Aber es ist der billigste und robusteste, den wir bislang kennen.«