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Neue Werkzeuge für die Lichternte

26.03.2007
Internationale Tagung “Light-Harvesting Processes” im Kloster Banz
Biologen, Chemiker und Physiker suchen nach neuen Wegen, das Sonnenlicht einzufangen

Energieforschung. - In weniger als einer Stunde strahlt die Sonne mehr Energie auf die Oberfläche unseres Planeten, als die ganze Welt jährlich benötigt. Natürlich können wir nun einen Bruchteil davon tatsächlich nutzen. Zum Beispiel mit Hilfe von Solarzellen. Forscher auf der ganzen Welt versuchen im Moment, deren Effizienz zu erhöhen. Im Kloster Banz, in der Nähe von Bamberg, treffen sie sich zurzeit auf einer internationalen Konferenz.

Die Natur selbst hat die wirksamsten Materialien erschaffen, mit denen sich Licht sammeln lässt. Denn Pflanzen und manche Bakterien nutzen die Sonne, um Photosynthese zu betreiben. Also um Zucker herzustellen aus Wasser und Kohlendioxid. Das Licht fangen sie ein mit Hilfe von Farbstoffen, zum Beispiel mit dem grünen Chlorophyll. Wie eine Vielzahl kleiner Antennen hängen die Farbstoffmoleküle an einem komplexen Gerüst aus einer Eiweißverbindung. Professor Richard Cogdell von der Universität Glasgow untersucht diese hocheffizienten Lichterntemaschinen, um damit das Fundament für eine künstliche Photosynthese zu legen. Cogdell:

"Wir würden gerne verstehen, wie diese Maschinen im Detail arbeiten. Wir kennen bereits ihre Baupläne, viele verschiedene davon. Aber jetzt müssen wir herausfinden, wie sie funktionieren. Mit diesen grundlegenden Prinzipien können wir dann zu unseren Kollegen gehen, den Chemikern - zum Beispiel hier auf der Konferenz - die ihre Moleküle dann entsprechend aufbauen. Mit denen können dann andere Forscher Solartreibstoff herstellen."

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Synthetisch müssen die Farbstoffe sein, weil die natürlichen Verbindungen oft nicht stabil genug sind. Besonders Sauerstoff macht ihnen zu schaffen. Im Laufe der Zeit bleichen sie aus. Doch während eine Pflanzenzelle einfach neuen Farbstoff nachliefern kann, geht das bei den künstlichen Systemen nicht. Frank Würthner ist Professor an der Universität Würzburg. Er arbeitet mit einer ganz speziellen Klasse von Farbstoffen, mit Pigmenten, die auch im Autolack vorkommen. Würthner:

"Die haben eine hohe Stabilität. Deswegen kann man sie in Autolacken einsetzen. Jeder möchte, dass sein Auto doch ein Jahrzehnt seine Farbe behält. Aber die Art, wie sie natürlich angeordnet sind im Autolack, die ist nicht geeignet, um die Funktion zu erreichen, die man für die Photosynthese braucht. Und daran müssen wir arbeiten, wie man die so anordnet, dass man neue Funktionen erzielt, nicht nur Farbigkeit."

Das funktioniert meistens über Selbstorganisation. Die Chemiker bringen an den Molekülen bestimmte Verknüpfungsstellen an, so dass die einzelnen Bausteine sich wie von selbst zu einer komplexen Architektur zusammenlagern. Und komplex müssen die Lichtsammelsysteme sein. Denn die Farbstoffe müssen nicht nur die Lichtenergie einfangen, sie müssen sie auch umwandeln in chemische Verbindungen. Das ist zumindest die eine Anwendung, welche die Forscher im Hinterkopf haben. Etwas weniger kompliziert und deshalb schon näher an der Praxis ist es, wenn die Wissenschaftler keine künstliche Photosynthese betreiben wollen, sondern mit den Farbstoffen einfach nur Licht für eine Solarzelle einfangen. Zu diesen Farbstoff-Zellen der ersten Stunde gehört die Grätzel-Zelle. Sie enthält das Mineral Titaniumdioxid, das mit einem Farbstoff veredelt wird. Ihr Nachteil: Sie arbeitet weniger wirtschaftlich als eine klassische Silizium-Zelle. Aber sie kostet auch weniger.

"Aber es gibt auch eine Reihe von Anwendungen, wo man zum Beispiel billigere Solarzellen braucht, und vielleicht im Bereich von 5 bis 10 Prozent Wirkungsgrad."

Professor Mukundan Thelakkat von der Universität Bayreuth. Er hat die Grätzel-Zelle weiterentwickelt, vor allem ihre Lebensdauer verlängert. Ein wichtiger Schritt, aber dennoch: Für praxistauglich Anlagen werden die Forscher noch einiges an Pionierarbeit leisten müssen. Bis zur ersten künstlichen Photosynthese werden wohl noch einige Jahre oder Jahrzehnte vergehen. Professor Jürgen Köhler, einer der Mitveranstalter aus Bayreuth:

"Sagen wir einmal: Ein künstliches Blatt oder ein Baum mit Steckdose, um mal so ein Schlagwort zu nehmen, da sind wir sicher noch sehr weit entfernt. Und da muss sicherlich noch sehr, sehr viel investiert werden. Und zwar nicht nur in angewandte Forschung, sondern auch in Grundlagenforschung. Wenn wir uns jetzt einmal auf Systeme beschränken, die zunächst mal einfacher sind, Grätzel-Zellen, organische Solarzellen, dann gibt es die ja schon. Also sind wir schon mittendrin in diesem Prozess, also es gibt schon Anwendungen."

Auf alle Fälle eine Gemeinschaftsaufgabe, die Biologen, Chemiker, Materialwissenschaftler und Physiker nur zusammen lösen können.

Kerstin Wodal | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

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