19.03.2012

ENERGIESolare Tankstelle

Chemiker erschaffen künstliche Pflanzen. Die neuartigen Halbleiterfolien sollen das Sonnenlicht direkt in Treibstoff umwandeln.
Das Blatt aus dem Labor glänzt silbrig und ist kaum so groß wie ein Fingernagel. Vorsichtig taucht Peidong Yang die Siliziumfolie ins Wasser. Dann schaltet der Chemiker eine Lampe ein, die das Sonnenlicht simuliert.
Winzige Bläschen bilden sich alsbald an der Oberfläche der Folie. Elektronen huschen durch den Halbleiter. Yang lächelt zufrieden: Sein künstliches Blatt erwacht zum Leben.
"Wir versuchen, von der Natur zu lernen und sie noch zu übertreffen", sagt der Forscher vom Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) im kalifornischen Berkeley. Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid wollen Yang und seine Kollegen direkt in chemische Energie verwandeln. Photosynthese heißt der Trick der Natur, den alle Pflanzen und Algen beherrschen. Die Evolution brauchte einige hundert Millionen Jahre, um die chemische Reaktionskette hervorzubringen. Die JCAP-Experten wollen das Naturwunder in wenigen Jahren nachahmen und sogar noch verbessern.
Zehnmal so effizient wie die natürliche Photosynthese soll die Lichtreaktion aus dem Labor am Ende sein. 122 Millionen Dollar hat das US-Energieministerium für die Arbeit des kalifornischen Forschungsverbunds bereitgestellt, an dem rund 200 Wissenschaftler beteiligt sind. US-Präsident Barack Obama erklärte, das Projekt sei wegweisend, um die Abhängigkeit der USA vom Erdöl zu verringern.
Was Yang und seine Kollegen erschaffen wollen, ist weder grün, noch raschelt es im Wind. Den Wissenschaftlern schwebt eine dünne, robuste Energiefolie vor, die Wasser wie von Zauberhand in Sprit verwandelt. Aus Sicht der Forscher hat die künstliche Photosynthese das Vermögen, fossile Brennstoffe wie Kohle, Öl und Gas tatsächlich zu ersetzen.
"Der ultimative Kraftstoff kommt direkt von der Sonne", sagt Yang. Tatsächlich ist das Potential der Technik gewaltig. Das Zentralgestirn strahlt in jeder Stunde mehr Energie auf die Erde ab, als die Menschheit in einem Jahr verbraucht. Herkömmliche Solarzellen können einen Teil dieser Energie einfangen und in Strom verwandeln. Diesen Strom wiederum zu speichern und dorthin zu transportieren, wo er benötigt wird, geht mit beträchtlichen Verlusten einher und ist eine große technische Herausforderung.
Praktischer wäre es, das Sonnenlicht direkt in Kraftstoff zu verwandeln, der dann wie gehabt herkömmliche Verbrennungsmotoren antreibt - das ist das Ziel der künstlichen Photosynthese.
Der Chemiker Daniel Nocera vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) bei Boston rechnet vor, dass eine fünf mal sechs Meter große Sonnenfolie in weniger als vier Stunden den täglichen Energiebedarf eines Einfamilienhauses decken könnte.
Im vergangenen Jahr präsentierte Nocera den ersten Prototyp eines künstlichen Blatts. Die Apparatur des MIT-Forschers hat die Größe einer Spielkarte und verwandelt Wasser mit Hilfe des Sonnenlichts in energiereichen Wasserstoff, der dann als Treibstoff verbrannt werden kann. Seine Solartankstelle sei ein "heiliger Gral" der Wissenschaft, von dem Forscher "seit Jahrzehnten" träumten, schwärmte Nocera bei der Präsentation.
Der MIT-Forscher versucht bereits, die Technik zu kommerzialisieren. Die von ihm mitgegründete Biotech-Firma Sun Catalytix entwickelt die winzigen Wasserstofftankstellen weiter. Das Unternehmen erwartet, ein Kilogramm Wasserstoff künftig für etwa drei US-Dollar herstellen zu können. Eine solche Menge des Gases enthält umgerechnet so viel Energie wie etwa 3,75 Liter Benzin.
Die kalifornischen JCAP-Forscher haben ein noch ehrgeizigeres Ziel. Ihr künstliches Blatt soll nicht gasförmigen Wasserstoff erzeugen, sondern flüssigen Kraftstoff, der sich, in Raffinerien aufbereitet, von heutigen Autos tanken lässt.
Die natürliche Photosynthese dient den Chemikern als Vorbild. Wie in jeder Pflanze wird auch im Laborblatt Wasser zunächst in Sauerstoff und Wasserstoffatome (Protonen) gespalten. In einem nächsten Reaktionsschritt verbinden sich je zwei Protonen zu Wasserstoff, der schließlich mit zugeführtem Kohlendioxid reagieren soll (siehe Grafik).
In Pflanzen entstehen als Endprodukte der Photosynthese vor allem energiereicher Rohrzucker und Stärke. Die künstlichen Blätter sollen Methanol oder sogar Benzin produzieren. Dass dies prinzipiell geht, ist längst bewiesen; doch die Schwierigkeit liegt im Detail.
Damit die Reaktion klappt, müssen chemische Bedingungen erschaffen werden, die jenen in den Chloroplasten der Pflanzen ähneln. Was im Grünzeug Enzyme erledigen, sollen im Laborblatt chemische Katalysatoren leisten - Substanzen, ohne deren Mithilfe die Minitankstellen nicht funktionieren.
Platin und Iridium sind als Katalysatoren zwar gut geeignet; doch diese Elemente sind selten und teuer. "Wir suchen nach Stoffen, die reichlich verfügbar, billig und reaktionsfreudig sind", erläutert Yang. "Nur dann kann Sonnensprit konkurrenzfähig zu fossilen Kraftstoffen werden."
Immerhin sind die Chemiker bei ihrer Suche schon fündig geworden: Wasser lässt sich auch mit Hilfe von billigem Kobalt und Phosphat spalten, wie MIT-Wissenschaftler Nocera herausgefunden hat. Die dabei frei werdenden Protonen wiederum vermag eine Legierung aus Nickel, Molybdän und Zink zu bändigen.
Gleichzeitig fahnden die Chemiker nach Materialien, die das Licht möglichst gut einfangen können. Der Pflanzenfarbstoff Chlorophyll würde bei ihnen glatt durch die Materialprüfung rasseln. Denn die grünen Blätter absorbieren nur einen kleinen Teil der Lichtenergie. Für eine optimale Ausbeute müssten sie eigentlich pechschwarz sein.
Unter dem Elektronenmikroskop betrachtet ähneln die künstlichen Blätter miniaturisierten Nagelbürsten. Aus einer ultradünnen Membran ragen winzige Siliziumfasern heraus, die mit den Katalysatoren bedampft sind und das Sonnenlicht einfangen. Durch ultrafeine Leitungen soll auf der einen Seite Wasser zugeführt und auf der anderen Seite Wasserstoff oder Methanol abgeleitet werden.
Noch in diesem Jahr will JCAP-Forscher Yang einen Prototyp "im iPhone-Format" präsentieren. Eine kommerzielle Pilotanlage hofft er bis Ende des Jahrzehnts vorstellen zu können.
17,75 Billionen Joule Energie verbraucht die Menschheit zurzeit in jeder Sekunde. Bis 2050 soll sich der weltweite Energieverbrauch nochmals mindestens verdoppeln. "Um diesen Bedarf nachhaltig zu decken, ist eine robuste Technik nötig, die im industriellen Maßstab eingesetzt werden kann", sagt Yang.
Direkter und sauberer als mit der künstlichen Photosynthese lasse sich aus Sonnenenergie kein Kraftstoff gewinnen, sagt der Chemiker. Im Vergleich zur Biospritgewinnung aus Pflanzen oder Algen hätten seine Laborblätter einen weiteren großen Vorteil: "Vor Schädlingen müssen wir uns nicht fürchten."
Von Philip Bethge

DER SPIEGEL 12/2012
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGEL-Verlag Rudolf Augstein GmbH & Co. KG.

Dieser Artikel ist ausschließlich für den privaten Gebrauch bestimmt. Sie dürfen diesen Artikel jedoch gerne verlinken.
Unter http://www.spiegelgruppe-nachdrucke.de können Sie einzelne Artikel für Nachdruck bzw. digitale Publikation lizenzieren.


DER SPIEGEL 12/2012
Titelbild
Der digitale SPIEGEL
Diese Ausgabe jetzt digital lesen

Die digitale Welt der Nachrichten. Mit interaktiven Grafiken, spannenden Videos und beeindruckenden 3-D-Modellen.
Sie lesen die neue Ausgabe noch vor Erscheinen der Print-Ausgabe, schon freitags ab 18 Uhr.
Einmal anmelden, auf jedem Gerät lesen - auch offline. Optimiert für Windows 8, Android, iPad, iPhone, Kindle Fire, BlackBerry Z10 sowie für PC/Mac.

Abo-Angebote

Den SPIEGEL lesen oder verschenken und Vorteile sichern!

Jetzt Abo sichern
Ältere SPIEGEL-Ausgaben

Kostenloses Archiv:
Stöbern Sie im kompletten SPIEGEL-Archiv seit
1947 – bis auf die vergangenen zwölf Monate kostenlos für Sie.

Wollen Sie ältere SPIEGEL-Ausgaben bestellen?
Hier erhalten Sie Ausgaben, die älter als drei Jahre sind.

Artikel als PDF
Artikel als PDF ansehen

ENERGIE:
Solare Tankstelle

Video 02:15

Neuer Spider-Man-Trailer Jetzt hat er auch noch Flügelchen

  • Video "Neuer Spider-Man-Trailer: Jetzt hat er auch noch Flügelchen" Video 02:15
    Neuer Spider-Man-Trailer: Jetzt hat er auch noch Flügelchen
  • Video "Überwachungsvideo aus Berliner U-Bahn: Polizei sucht Angreifer" Video 00:54
    Überwachungsvideo aus Berliner U-Bahn: Polizei sucht Angreifer
  • Video "Freiburgs Trainer über Fremdenhass: Man muss große Angst haben" Video 01:38
    Freiburgs Trainer über Fremdenhass: "Man muss große Angst haben"
  • Video "Virales Video aus Österreich: Was machen die da?" Video 00:57
    Virales Video aus Österreich: Was machen die da?
  • Video "Filmstarts der Woche: Hi, ich bin Frank Zappa" Video 05:00
    Filmstarts der Woche: "Hi, ich bin Frank Zappa"
  • Video "Tierrettung: Eine Flasche für die Teufel" Video 00:43
    Tierrettung: Eine Flasche für die Teufel
  • Video "Slackline-Weltrekord: Wackelpartie in 247 Meter Höhe" Video 01:07
    Slackline-Weltrekord: Wackelpartie in 247 Meter Höhe
  • Video "Basketball-Kunststück: Korb aus 178 Meter Höhe" Video 00:58
    Basketball-Kunststück: Korb aus 178 Meter Höhe
  • Video "Syrische Flüchtlinge: Justin Trudeau - zu Tränen gerührt" Video 01:15
    Syrische Flüchtlinge: Justin Trudeau - zu Tränen gerührt
  • Video "Boxkampf mit Känguru: Video sorgt für Empörung" Video 00:52
    Boxkampf mit Känguru: Video sorgt für Empörung
  • Video "Cabrio-U-Boot: Oben ohne unter Wasser" Video 00:46
    Cabrio-U-Boot: Oben ohne unter Wasser
  • Video "Glatteis-Unfall: Massenkarambolage im Zeitlupentempo" Video 01:48
    Glatteis-Unfall: Massenkarambolage im Zeitlupentempo
  • Video "Barack Obama: Letzte Rede zur nationalen Sicherheit" Video 01:54
    Barack Obama: Letzte Rede zur nationalen Sicherheit
  • Video "Werbevideo der US-Polizei: May you be with the force" Video 01:28
    Werbevideo der US-Polizei: "May you be with the force"
  • Video "Kanzlerin begegnet 360-Grad-Kamera: Merkel will's wissen" Video 00:52
    Kanzlerin begegnet 360-Grad-Kamera: Merkel will's wissen