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Neuer Weg zu einem effizienten Wasserstoff-Speicher

13.12.2013
Ein biologischer Katalysator aus einem Bakterium geht ein Hauptproblem des vielversprechenden Energieträgers an: Als Ameisensäure kann Wasserstoff sicher und effizient gespeichert und wieder freigesetzt werden.

Wasserstoff ist eine klimafreundliche Alternative für die Energieversorgung der Zukunft. Eine sichere und effiziente Möglichkeit, diesen zu speichern, haben die Frankfurter Biowissenschaftler Kai Schuchmann und Volker Müller von der Goethe-Universität nun entdeckt.


Kai Schuchmann bei seiner Arbeit an Sauerstoff empfindlichen Bakterien im Anaerobenzelt
Foto: Uwe Dettmar

Wie sie in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Science berichten, fanden sie in einem Bakterium ein Enzym, das Wasserstoff und Kohlendioxid zu Ameisensäure umsetzt. Im Unterschied zu gasförmigem Wasserstoff kann diese Flüssigkeit wie konventionelle Treibstoffe gelagert und transportiert werden.

Der Vorteil: Wasserstoff würde erst am Verbrauchsort zur Umsetzung in einer Brennstoffzelle wieder freigesetzt oder die Ameisensäure könnte direkt zur Energieversorgung von elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen eingesetzt werden.

„Ein Auto mit Brennstoffzelle benötigt circa 45.000 Liter Wasserstoff für 400 Kilometer. Diese Menge ließe sich in circa 75 Litern flüssiger Ameisensäure speichern“, rechnet Kai Schuchmann vor. Eigentlich erforscht der Biowissenschaftler in seiner Doktorarbeit den Stoffwechsel des Bakteriums Acetobacterium woodii. Dieser Organismus gibt Einblicke in die Lebensweise der ersten Organismen auf der Erde.

„Jetzt zeigt sich, dass in diesem Bakterium zusätzlich viel Potential für zukünftige Technologien steckt“, freut sich Schuchmann, dem die Entdeckung im ersten Jahr seiner Doktorarbeit gelang. Bisherige chemische Katalysatoren benötigen meist hohe Drücke oder Temperaturen für die schnelle Umsetzung von Wasserstoff und CO2. Die biologische Alternative ermöglicht nun die Reaktion mit hoher Geschwindigkeit unter milden Bedingungen.

„Attraktiv ist das Enzym nicht nur deshalb, weil es sowohl die Speicherung als auch die Freisetzung von Wasserstoff mit hoher Effizienz ermöglicht“, erklärt Prof. Volker Müller, Leiter der Abteilung für Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik der Goethe-Universität. „Sogar die Verwertung von Kohlenmonoxid ist über einen alternativen Weg möglich“. Dies ist von Vorteil, da Brennstoffzellen durch Verunreinigungen mit Kohlenmonoxid geschädigt werden.

Die Wissenschaftler haben bereits ein Patent für ihr System der biologischen Wasserstoffspeicherung angemeldet, in dem sie auch die Bakterien als ganzes verwenden können. „Man muss Acetobacterium woodii nur dazu bringen, seinen Stoffwechsel nach der Produktion von Ameisensäure, die nur ein Zwischenprodukt ist, abzubrechen“, erläutert Prof. Müller. Das gelang den Forschern durch das Entfernen von Natrium-Ionen, denn das Bakterium benötigt für einen entscheidenden Schritt der Energiegewinnung Natrium, wie Müller im vergangenen Jahr in einer viel beachteten Publikation herausfand. Wird es nicht mit Natrium versorgt, stellt es nur Ameisensäure her.

Publikation: Kai Schuchmann und Volker Müller, Direct and reversible hydrogenation of CO2 to formate by a bacterial carbon dioxide reductase, Science doi: 10.1126/science.1244758

Informationen: Kai Schuchmann und Prof. Volker Müller, Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik, Institut für Molekulare Biowissenschaften, Campus Riedberg, (069)-798-29589; schuchmann@bio.uni-frankfurt.de, und Tel.: (069) 798- 29507; -29508, VMueller@bio.uni-frankfurt.de.

Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. 1914 von Frankfurter Bürgern gegründet, ist sie heute eine der zehn drittmittelstärksten und größten Universitäten Deutschlands. Am 1. Januar 2008 gewann sie mit der Rückkehr zu ihren historischen Wurzeln als Stiftungsuniversität ein einzigartiges Maß an Eigenständigkeit. Parallel dazu erhält die Universität auch baulich ein neues Gesicht. Rund um das historische Poelzig-Ensemble im Frankfurter Westend entsteht ein neuer Campus, der ästhetische und funktionale Maßstäbe setzt. Die „Science City“ auf dem Riedberg vereint die naturwissenschaftlichen Fachbereiche in unmittelbarer Nachbarschaft zu zwei Max-Planck-Instituten. Mit über 55 Stiftungs- und Stiftungsgastprofessuren nimmt die Goethe-Universität laut Stifterverband eine Führungsrolle ein.

Herausgeber: Der Präsident
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