Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein halb-künstliches Blatt ist schneller als die Photosynthese

20.08.2014

Proteine ersetzen Silizium
RUB-Forscher mit „Very Important Paper“

Bochumer Chemiker und Biologen haben gemeinsam eine neue Methode entwickelt, Membranproteinkomplexe der Photosynthese effizient in semiartifizielle Sonnenkollektoren zu integrieren. Der damit erzielte Elektronentransfer übertraf zum ersten Mal deutlich die in der natürlichen Photosynthese beobachteten Raten. Diese Entdeckung eröffnet ganz neue Möglichkeiten für die Konstruktion halb-künstlicher Blätter, die als Photovoltaikanlagen mit ungeahnter Leistung funktionieren könnten.


Während natürliche Blätter Lichtenergie in Biomasse umwandeln, wandeln Sonnenkollektoren sie in elektrischen Strom um. (c) Nicolas Plumeré

Die Forscher um Dr. Nicolas Plumeré, Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann und Prof. Dr. Matthias Rögner berichten im Journal Chemistry – a European Journal. Ihre Studie wurde vom Journal zum „Very Important Paper“ gewählt – eine Ehre, die nur fünf Prozent der eingereichten Beiträge zuteil wird.

Photosystem 1, ein widerstandsfähiger und effizienter Photosynthesekomplex

In natürlichen Blättern absorbiert der Membranproteinkomplex Photosystem 1 (PS1) das Sonnenlicht. Dessen Energie dient dann dazu, Kohlendioxid in Biomasse zu verwandeln. Auch Sonnenkollektoren, die meistens aus Halbleitern auf Siliziumbasis bestehen, sammeln das Licht, allerdings um daraus Elektrizität zu gewinnen. Ein Ansatz, um Sonnenkollektoren günstiger und aus erneuerbaren Materialien herzustellen, besteht darin, die Halbleiter durch Membranproteinkomplexe der Photosynthese zu ersetzen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Rögner isoliert sehr stabile Photosynthesekomplexe aus thermophilen Cyanobakterien, die in einer heißen Quelle in Japan leben. Der Einbau dieser natürlichen Komponenten in ein künstliches System war jedoch eine große Herausforderung: Die Photosynthesekomplexe bestehen sowohl aus hydrophoben als auch aus hydrophilen Bereichen, welche ihre Handhabung und Fixierung auf Elektroden deutlich erschweren.

Umgebung reagiert auf äußere Reize

Die Teams von Dr. Nicolas Plumeré and Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann entwickeln komplexe leitfähige Materialien, die auf äußere Reize reagieren. In diese so genannten Redox-Hydrogele betten die Forscher den Photosynthesekomplex PS1 ein. Durch die Wahl eines geeigneten Hydrogels konnten sie die Umgebung der natürlichen Proteine genau einstellen. Insbesondere lassen sich durch die Anpassung des pH-Werts die hydrophoben beziehungsweise hydrophilen Eigenschaften des Hydrogels kontrollieren und an die Bedürfnisse des Photosynthesekomplexes anpassen. „Diese eigens angefertigte Umgebung bietet dem Proteinkomplex optimale Bedingungen – sogar besser als in natürlichen Blättern“, erklärt Dr. Nicolas Plumeré. Die Forscher ermittelten die höchsten jemals für halb-künstliche Photoelektroden gemessenen Elektronentransferraten, die sogar die der natürlichen Photosynthese um eine Größenordnung übertrafen.

Effizientere und billigere Sonnenkollektoren

„Diese Verbesserung erhöht die Effizienz unseres anfänglichen biophotovoltaischen Konzepts vom Nanowatt- in den Mikrowatt-Bereich”, erläutert Nicolas Plumeré. Zwar werden silikonbasierte Sonnenkollektoren diejenigen mit biologischen Komponenten zunächst weiterhin übertreffen, was ihre Stabilität und Effizienz betrifft. Aber in verschiedenen Anwendungen sind letztere dennoch überlegen. Besonders als Energielieferanten für winzige medizintechnische Werkzeuge wie Sensoren in Kontaktlinsen bieten sie sich an. In fernerer Zukunft könnte das Biophotosystem Ausgangspunkt für die Entwicklung billiger und flexibler Solarzellen für die Anwendung auf unebenen Oberflächen sein.

Förderung

Die Arbeiten der Forscher wurden gefördert durch den Exzellenzcluster RESOLV (EXC 1069), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts Taschentuchlabor (03IS2201F) und durch die COST Action TD1102 PHOTOTECH.

Titelaufnahme

T. Kothe, S. Pöller, F. Zhao, P. Fortgang, M. Rögner, W. Schuhmann, N. Plumeré: Engineered electron transfer chain in Photosystem 1 based photocathodes outperforms electron transfer rates in natural photosynthesis. In: Chemistry - A European Journal, 2014, doi: 10.1002/chem.201402585 (VIP).

Weitere Informationen

Dr. Nicolas Plumeré, Fakultät für Chemie und Biochemie, Zentrum für Elektrochemie, Ruhr-Universität Bochum, Tel: 0234/32-29434, E-Mail: nicolas.plumere@rub.de

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Fakultät für Chemie und Biochemie, Lehrstuhl für Analytische Chemie Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-26200, E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de

Prof. Dr. Matthias Rögner, Fakultät für Biologie und Biotechnologie, Lehrstuhl für Biochemie der Pflanzen, Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-23634; E-Mail: matthias.roegner@rub.de

Meike Drießen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung
26.04.2017 | Universität Ulm

nachricht Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt
26.04.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie