Neues System für künstliche Photosynthese
Pflanzen können es ziemlich gut, Menschen immer besser: US-Forscher haben halbleitende Nanodrähte vorgestellt, die mit Hilfe von Sonnenlicht und Bakterien Kohlendioxid in nützliche chemische Verbindungen umwandeln.
- Mike Orcutt
Pflanzen können es ziemlich gut, Menschen immer besser: US-Forscher haben halbleitende Nanodrähte vorgestellt, die mit Hilfe von Sonnenlicht und Bakterien Kohlendioxid in nützliche chemische Verbindungen umwandeln.
Forscher an der University of California in Berkeley haben nach eigenen Angaben einen entscheidenden Fortschritt für eine neue Methode zur Umwandlung von Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht in nützliche organische Verbindungen erreicht – ähnlich wie bei Photosynthese. Auf dieser Grundlage könne eine wirtschaftliche Möglichkeit entstehen, um Chemikalien mit hohem Wert als Vorläuferstoffe für Medikamente zu produzieren oder erneuerbare Energie in Form von flüssigen Brennstoffen zu speichern.
An effizienter künstlicher Photosynthese wird seit langem geforscht, und es wurden bereits mehrere Ansätze dafür vorgestellt, von denen aber alle ihre Nachteile haben. Allgemein nutzt man dafür Mikroorganismen mit der Bezeichnung Elektrotrophen, die sich dazu bringen lassen, unter Stromzufuhr bestimmte chemische Bausteine zu produzieren.
Das neue System ist jedoch das erste, bei dem Halbleiter gleichzeitig Sonnenenergie einfangen, Strom zu den Mikroben übertragen und direkt mit den Bakterien kombiniert sind. Das erklärt Peidong Yang, Professor für Chemie und Materialwissenschaft in Berkeley und einer der Erfinder des Systems. Frühere Systeme dieser Art brauchten noch große Solarmodule, um erneuerbare Energie zur Verfügung zu stellen. Bei der Variante von Yang und Kollegen dagegen beziehen Halbleiter-Nanodrähte Energie von der Sonne und geben Elektronen an elektrotrophe Bakterien weiter, die sich innerhalb der Drähte befinden. Mit Hilfe der Elektronen wandeln die Elektrotrophen Kohlendioxid und Wasser in nützliche chemische Verbindungen um. Diese werden dann an genetisch manipulierte E. coli weitergeleitet, die daraus unterschiedliche Endprodukte machen können.
Laut Yang handelt es sich dabei um die erste direkte Schnittstelle zwischen Bakterien und Halbleitermaterial für künstliche Photosynthese. Er und seine Kollegen haben gezeigt, dass sich das System für die Produktion von drei Pharma-Vorläuferstoffen und von Butanol eignet, einem Polymer, das bei biologisch abbaubarem Plastik zum Einsatz kommt. Grundsätzlich ließen sich auch viele andere Produkte damit herstellen, unter anderem relativ teure Chemikalien, die schon in kleinen Mengen lukrativ sind. Die Produktion von Treibstoffen dagegen würde sich erst bei höheren Volumina lohnen.
Das System ist bei der Verwertung der Sonnenenergie in etwa so effizient wie natürliche Photosynthese, sagt Yang. Damit sei der Prozess noch nicht wirtschaftlich, aber seine Gruppe arbeite derzeit an neuen Halbleitermaterialien, mit denen die Kosten sinken sollen. "Die Effizienz werden wir in naher Zukunft erhöhen können“, sagt Yang.
Neben den Energie erntenden Nanodrähte hat das System noch einen weiteren Vorteil, sagt Eric Toone, Professor für Biochemie und Chemie an der Duke University und ehemaliger Leiter des Elektrotreibstoffprogramms der Forschungsagentur ARPA-E, von der auch die Finanzierung für Yangs Gruppe kam: Es funktioniert auch in der Gegenwart von Sauerstoff. Die von Yang genutzten Bakterien vertragen Sauerstoff normalerweise nicht, was es schwierig macht, sie im Großmaßstab einzusetzen, erklärt Toone. Bei seinem System werden sie laut Yang jedoch von den Nanodrähten „geschützt“.
Trotzdem gibt es für Systeme auf der Grundlage von Mikroben noch größere Probleme, denn die Bakterien müssen dafür lebendig sein, was sie selbst im besten Fall nicht sehr lange sind. Und im Vergleich mit chemischen Katalysatoren sind Bakterien relativ langsame „Maschinen“, sagt Nate Lewis, ein Chemieprofessor am California Institute of Technology.
Tatsächlich sagt auch Yang, das letztliche Ziel seines Teams sei ein synthetisches System, das stabiler sei als eines mit Bakterien. Noch aber gebe es für die Umwandlung von Kohlendioxid in nützliche Verbindungen keine besseren Katalysatoren als Bakterien. Die Gruppe untersucht jetzt genau, wie der Transfer von Elektronen an die Mikroben vor sich geht. Die Beschäftigung mit dieser Schnittstelle soll bei der Entwicklung eines synthetischen Katalysators helfen, der die Bakterien später ersetzen könnte.
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