Künstliche Photosynthese kommt voran

Aus Sonnenlicht und Wasser wird Wasserstoff: US-Wissenschaftler arbeiten erfolgreich an Verfahren, die die Photosynthese nachahmen. Allerdings gibt es derzeit Finanzprobleme.

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Von
  • Kevin Bullis

Aus Sonnenlicht und Wasser wird Wasserstoff: US-Wissenschaftler arbeiten erfolgreich an Verfahren, die die Photosynthese nachahmen. Allerdings gibt es derzeit Finanzprobleme.

Ein von der amerikanischen Regierung gefördertes Forschungsvorhaben ist einen wichtigen Schritt vorangekommen, ein neues Energiegewinnungsverfahren zu entwickeln. Dabei wird aus Sonnenlicht und Wasser Wasserstoff, der dann wiederum in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Das Problem: Derzeit gibt es Streit ums Geld.

Das Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) wurde im Jahr 2010 von der Obama-Regierung gegründet und vereint Forscher an verschiedenen US-Universitäten. Geleitet wird das JCAP von einem Team am California Institute of Technology.

Kerntechnik ist ein sogenannter Solar-Elektrolyseur, der mit Hilfe von Sonnenlicht und Katalysatoren Wasser ohne Umwege in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. So lässt sich Energie speichern, um auch in der Nacht Strom zu erzeugen. Die neueste Variante des Solar-Elektrolyseurs ist besonders lange haltbar.

Das JCAP wurde als einer von mehreren "Innovation Hubs" des US-Energieministeriums gegründet. 122 Millionen Dollar sollten über fünf Jahre investiert werden. Nathan Lewis, Direktor des JCAP, hofft, dass die jüngsten Fortschritte in der Forschung dazu führen, dass der US-Kongress die Förderung verlängert. "Bei uns läuft es gerade gut und wir hoffen, dass wir weitermachen können", sagt er.

Es ist schon seit längerem möglich, Wasserstoff mittels Sonnenenergie indirekt herzustellen. Dabei werden Solarzellen zum Betrieb eines konventionellen Elektrolyseurs verwendet. Billig ist das nicht: Eine Menge Wasserstoff, die dem Äquivalent einer US-Gallone Benzin entspricht, kostet dabei 10 bis 20 Dollar. Ein Gerät, mit dem das Sonnenlicht direkt verwendet werden könnte, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen, wäre signifikant günstiger – zwischen 2 und 4 Dollar pro Benzinäquivalent. Die JCAP-Forscher nutzten zwei kommerziell bereits erprobte Techniken, um ihr Gerät zu bauen: Elektrolyse und Silizium- respektive Cadmium-Tellurid-Solarzellen. Um die Kosten zu senken, kombinierten sie Elemente beider zu einer Einheit, was die Komplexität verringert und den Wirkungsgrad potenziell steigert.

Elektrolyseure bestehen normalerweise aus zwei Elektroden, die mit Katalysatoren versehen sind, die die Energiemenge, die zum Spalten des Wassers notwendig ist, reduzieren. In ihrem neuen System brachten die Forscher auch Katalysatoren an die die Solarzellen an, was die Anzahl der vorhandenen Elektroden verdoppelte und die Bauteilmenge verringerte. Sie optimierten die Katalysatoren zudem für die Verwendung auf Solarzellen.

Die alkalischen Lösungen, die in den meisten Elektrolyseuren verwendet werden, zerstören Solarzellen normalerweise in wenigen Sekunden, doch die Forscher fanden einen Typ von Nickeloxid, der sich als Katalysator eignet und die Solarzellen gleichzeitig schützt. Der Katalysator hilft dabei, Sauerstoffatome von den Wassermolekülen zu befreien und produziert Wasserstoffgas – angetrieben durch die Energie der Solarzellen. In Dauertests hielten die Solarzellen dabei über 1000 Stunden durch – zwar nicht genug für kommerzielle Anwendungen, doch ein großer Fortschritt.

Ein weiteres Problem: Die zweite Hauptelektrode mit dem Wasserstoffkatalysator muss noch verbessert werden. Zwar gibt es hier bereits interessante Katalysematerialien, doch arbeiten diese normalerweise in sauren Umgebungen, nicht in alkalischen. (bsc)