Lichterntemaschine nach dem Vorbild der Natur: Neue Bio-Solarzelle als Stromlieferant

Die Proteinkomplexe „Photosystem 1“ und „Photosystem 2“ werden für die biochemische Umwandlung von Lichtenergie in Zucker bei der Photosynthese benötigt. Den Forschern ist es gelungen, diese in technische Komponenten einzubetten, um Lichtenergie in Strom umzuwandeln.

Photovoltaikanlagen gehören seit vielen Jahren zum typischen Landschaftsbild und lassen sich auf vielen Dächern, vermehrt auch auf Flächen finden. Wir nutzen Solarstrom nicht nur im industriellen Maßstab und im Haushalt. Seit vielen Jahren versorgt er auch Alltagsgeräte wie Taschenrechner oder Parkautomaten und macht diese unabhängiger von anderen Stromquellen. Die hierfür benötigten Solarzellen, auch Photovoltaik-Zellen genannt, wandeln Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um.

In Deutschland produzierten Photovoltaikanlagen im Jahr 2012 rund 28 Mrd. Kilowattstunden Strom, was einen Anteil von rund 4,7 Prozent am Gesamtstromverbrauch ausmacht (vgl. Agentur für Erneuerbare Energien). Aber die Herstellung von Solarzellen ist sehr energieintensiv und teuer. Denn ein wichtiger Bestandteil der meisten kleinen Stromlieferanten ist Silizium, das – um hohe Wirkungsgrade zu erzielen – in Reinform benötigt wird. Der Prozess der Herstellung von Rohsilizium und die weitere Verarbeitung sind aufwendig. Zudem kommen bei der Herstellung von Solarzellen zum Teil gesundheits- und umweltschädliche Stoffe zum Einsatz. So kann auch die Entsorgung der Solarzellen zu einem echten Problem werden.

Daher sucht man bereits seit längerem nach Alternativen. Nach der Erfindung der ersten Bio-Solarzelle im Jahr 1991 (O'Regan/Grätzel, 1991), könnte nun ein neuer Durchbruch bei den Solarzellen auf biologischer Basis gelungen sein. Damals scheiterte es an der praktischen Umsetzung in ein marktfähiges Produkt.

Strom statt Biomasse erzeugen

In der Natur wird bei der Photosynthese Lichtenergie aufgenommen und mit Hilfe von Wasser und Kohlendioxid (CO2) in Sauerstoff und Biomasse – in Form von Kohlenhydraten – umgewandelt. Auch Cyanobakterien sind zu diesem Vorgang in der Lage, obwohl sie zu den Bakterien gehören. Deutsche Forscher der Ruhr-Universität Bochum isolierten nun zwei große Proteinkomplexe, die sogenannten Photosysteme, aus Cyanobakterien. Weil sie extremen Umweltbedingungen trotzen, liefern Cyanobakterien besonders stabile Proteine. Die hier verwendete Bakterienart lebt beispielsweise in heißen Quellen in Japan.

Die entnommenen Proteinkomplexe „Photosystem 1“ und „Photosystem 2“ übernehmen bei der Photosynthese unterschiedliche Funktionen, die die Wissenschaftler geschickt in ihre Photovoltaik-Zelle integrierten.

Das passiert in der Solarzelle damit Strom fließt

Ihre Bio-Solarzelle besteht aus zwei Kammern: In der ersten befindet sich das Photosystem 2, welches durch Licht angeregt Wassermolekülen Elektronen entzieht. Hierbei entsteht Sauerstoff. Durch ein – von den Forschern selbst entwickeltes – komplexes, Elektronen leitendes Material (Redoxhydrogel) gelangen die Elektronen zu einer Elektrode, die mit der Elektrode der zweiten Kammer verbunden ist. Über ein anderes Redoxhydrogel gelangen die Elektronen nun zu Photosystem 1. Hier werden sie wieder auf Sauerstoff übertragen, wodurch Wasser entsteht.

Die Forscher nutzten so die Elektronen, die durch die Photosysteme entstanden sind und erzeugten eine elektrische Ladung, indem die Elektronen durch leitende neuartige Materialien (Gele) geschleust wurden, in die die Photosysteme eingebettet waren. Zwischen den beiden verbindenden Elektroden muss dabei eine Potentialdifferenz bestehen, damit elektrische Energie erzeugt werden kann. Dies gelang den Forschern durch die verwendeten Gele mit unterschiedlichem Potential. Dadurch entsteht beim Übertragungsvorgang letztlich Strom, der abgeführt oder gespeichert werden kann. Wie bei der natürlichen Photosynthese wird Energie in Form von Licht benötigt, damit der Kreislauf funktioniert.

Jetzt folgt der Feinschliff

Allerdings ist die Bio-Solarzelle in ihrer Leistung noch nicht mir herkömmlichen Solarzellen vergleichbar. Derzeit erreicht die Bio-Solarzelle der Forscher nur geringe Leistungen von einigen Nanowatt pro Quadratzentimeter. Die Forscher betonen, dass es sich hier nur um einen ersten Funktionstest handelte, einen „Proof of Concept“ wie sie sagen.

Das Potential zur Steigerung der Leistung existiert und diesem gilt nun die volle Aufmerksamkeit, nachdem der Machbarkeitsnachweis erbracht wurde. Die aktuell vorgestellte Lichterntemaschine war nur der Anfang: „Das System kann als Blaupause für die Entwicklung halbkünstlicher und natürlicher Zellsysteme dienen, in denen die Photosynthese für die lichtgetriebene Erzeugung von sekundären Energieträgern wie beispielsweise Wasserstoff genutzt wird“, sagt Matthias Rögner, einer der beteiligten Forscher von der Universität Bochum.

Quelle:
Kothe, T. et al. (2013): Die Kombination einer auf Photosystem 1 basierenden Photokathode und einer auf Photosystem 2 basierenden Photoanode zu einem Z-Schema-Analogon für biophotovoltaische Anwendungen. In: Angewandte Chemie, (online 7. November 2013), doi: 10.1002/ange.201303671.