Im kalifornischen Pasadena liegt an einem klaren Frühlingsmorgen der Duft von frisch gemähtem Gras und Blüten in der Luft. Überall hier scheint die Fotosynthese ganz mühelos zu gelingen: Die Palmen und Blumen entlang der Gehwege des California Institute of Technology (Caltech) aalen sich im Sonnenlicht und nutzen dessen Energie, um Zucker zu speichern, ihre Blätter auszubreiten, die Wurzeln tiefer ins Erdreich zu graben und sich um ihre Stoffwechselprozesse zu kümmern.

Im Jorgensen Laboratory am Caltech versuchen mehr als 80 Forscher, es den Pflanzen gleichzutun – und haben weitaus mehr Mühe damit. Das frisch renovierte Gebäude, in dem sie an dieser Aufgabe tüfteln, bildet den Hauptsitz des Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) – einem Forschungsprogramm, das vom Department of Energy (DOE) der USA über fünf Jahre mit 116 Millionen US-Dollar gefördert wird und an dem 190 Wissenschaftler mitarbeiten. Das Ziel der Forscher: Wasserstoff auch andere Brennstoffe sollen, verglichen mit der natürlichen Produktion von Biomasse durch Blätter, mit Hilfe von Sonnenlicht wesentlich effizienter gewonnen werden. Zum Einsatz kommen dabei Silizium, Nickel, Eisen und viele andere Materialien, die man eher in Akkuzellen als Pflanzenzellen erwartet.

Die Wissenschaftler verfolgen ihr Ziel mit einer gewissen Dringlichkeit. Rund 13 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen gehen auf den Verkehr zurück – die umweltschädlichen Kraftstoffe allmählich zu ersetzen, ist also entscheidend für das Klima. Autos und kleinere Lastwagen ließen sich beispielsweise durch Elektrofahrzeuge ablösen, die durch Sonnen- oder Windenergie aufgeladen werden. Diese Maßnahme allein reicht allerdings nicht aus. Rund 40 Prozent des gegenwärtigen globalen Verkehrs lässt sich nicht auf einen Elektroantrieb umrüsten, sagt Nathan Lewis vom Caltech, der wissenschaftlicher Direktor am JCAP ist. So dürfte es beispielsweise nie – außer im Fall eines unerwarteten Durchbruchs – ein Plug-in-Hybrid-Flugzeug geben: Kein Flieger dieser Welt könnte genügend Batterien mit sich führen. Flüssige Brennstoffe sind einfach unschlagbar, wenn es um Einfachheit und Energiedichte geht.

Fördereinrichtungen rund um die Welt – sowie einige private Unternehmen – stecken beispiellose Mittel in die Forschung, um Brennstoffe mit Hilfe von Sonnenenergie herzustellen. Diese Energiequelle wäre nicht nur kohlenstofffrei, sondern auch praktisch unerschöpflich. Bis zum Ende der ersten Förderperiode im Jahr 2015 will das JCAP einen Prototypen für ein künstliches Blatt präsentieren. Das Forschungszentrum ist eines von fünf so genannten "Energy Innovation Hubs", die das DOE seit 2010 ins Leben rief, um bestimmte Probleme mit Hilfe von Grundlagenforschung, angewandter Forschung und Ingenieurwissenschaft anzugehen.

Obwohl das JCAP bereits einige Fortschritte verbuchen kann, ist das Ziel noch längst nicht erreicht. "Es handelt sich um eine wirklich, wirklich schwierige und anspruchsvolle Aufgabe", sagt der Elektrochemiker John Turner vom National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado. "Der Nutzen wäre enorm, aber es ist offenbar nicht so einfach, wie man es sich vor 40 Jahren – als wir in diesem Bereich zu experimentieren begannen – vorstellte."

Steigende Fördergelder und die zunehmende Aufmerksamkeit lassen viele Forscher jedoch auf den langfristigen Erfolg hoffen. "Kann man diese Bemühungen für die nächsten zehn Jahre aufrechterhalten", so der Chemiker Michael Wasielewski von der Northwestern University in Evanston, Illinois, "wäre eine praktische Lösung durchaus denkbar."

Lichtstrahlen einfangen

Das Konzept der künstlichen Fotosynthese geht zurück auf das Jahr 1912. Es auch in die Tat umzusetzen, versucht man allerdings erst seit 1972. Japanische Forscher überlegten sich damals, wie ein Apparat aussehen könnte, der Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff aufspaltet [2]. Fortschritte ließen allerdings auf sich warten. Erst 1998 gelang Turner ein wichtiger Vorstoß – mit einem System, das zwölf Prozent der eingestrahlten Sonnenenergie in Kraftstoff umwandelt [3]. Echte Blätter speichern dagegen nur ein Prozent der Energie in Form von Biomasse. Doch der von ihm entwickelte Apparat war viel zu teuer, um eine Chance auf dem Markt zu haben: Er überstieg die vertretbaren Kosten um das 25-Fache. Und obendrein fiel die Leistung bereits nach 20 Betriebsstunden ab.

Man verlangt drei Dinge von einem künstlichen Blatt, berichtet Lewis: "Es soll einen hohen Wirkungsgrad besitzen, kostengünstig und robust sein. Und ich könnte bereits heute mit zwei dieser Eigenschaften – ganz egal welche – dienen, aber nicht mit allen drei gleichzeitig."

Die Forscher am JCAP wollen diese Hürde überwinden – und dabei ein System entwickeln, das Wasser deutlich preiswerter aufspaltet als man es mit dem Strom einer Solarzelle bewerkstelligen könnte. Das Herzstück ihres künstlichen Blatts bilden derzeit zwei Elektroden, eingetaucht in eine wässrige Lösung. Für gewöhnlich besteht jede Elektrode aus einem Halbleitermaterial, das Lichtenergie aus einem bestimmten Teil des Sonnenspektrums absorbieren kann. Zudem sind die Elektroden mit einem Katalysator beschichtet, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen und so effizienter Wasserstoff oder Sauerstoff zu erzeugen (siehe Grafik). Die JCAP-Forscher trennen – wie auch andere Gruppen – die in ihrem System entstehenden Gase durch eine Membran voneinander und senken so das Risiko einer explosiven Reaktion. Der auf diese Weise hergestellte Wasserstoff lässt sich direkt als Treibstoff für Wasserstoffautos verwenden oder mit Kohlenmonoxid weiterverarbeiten zu einem flüssigen Kohlenwasserstoffbrennstoff.

Künstliche Fotosynthese
© Nik Spencer / Nature, nach: JCAP
(Ausschnitt)
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Wasserspalten durch künstliche Fotosynthese: Das Verfahren nutzt Photonen des Sonnenlichts um Wassermoleküle in Sauerstoff und Wasserstoff zu zerlegen – beide Produkte können dann als Brennstoff weiterverwendet werden. Aus zwei Wassermolekülen können dabei jeweils ein Sauerstoffmolekül (O2) sowie vier Protonen (H+) und Elektronen (e-) gewonnen werden. Die Protonen und Elektronen wandern durch eine Membran, dahinter arbeitet eine Photokathode, an der dann mit einem Katalysator und unter Sonneneinstrahlung Wasserstoff entsteht.

Die einzelnen Komponenten eines künstlichen Blatts zum Laufen zu bringen, stellt schon eine Herausforderung dar; sie alle zu einem funktionierenden Gesamtsystem zusammenzufügen, ist noch weitaus schwieriger. "Das lässt sich ziemlich gut mit dem Bau eines Flugzeugs vergleichen", erklärt Lewis. "Man braucht nicht nur ein Triebwerk, man braucht eine Konstruktion mit Flügeln, einem Rumpf, einem Triebwerk und Bordelektronik – und dann muss das Flugzeug am Ende auch noch fliegen."

Vor allem die Suche nach geeigneten Materialien bereitet den Forschern große Probleme. Silizium taugt beispielsweise als Photokathode – diese Elektrode erzeugt das Wasserstoffgas –, ist allerdings nur in einer säurehaltigen Lösung stabil. Bedauerlicherweise verhalten sich Photoanoden, die Sauerstoff produzieren, gerade umgekehrt: Sie bleiben nur dann leistungsfähig, wenn die Lösung basisch und nicht sauer ist. Erschwerend kommt hinzu, dass Iridium – der beste Katalysator für Photoanoden – selten und teuer ist, was es für Systeme im kommerziellen Rahmen disqualifiziert.

Beim JCAP begegnet man dem Materialproblem mit Tintenstrahldruckern, die pausenlos kleine Legierungsproben auf Glasplatten ausspucken. Die Forscher prüfen dann, ob sich einer der aufgedruckten Werkstoffe als Katalysator oder Lichtabsorber eignet. Zusammengenommen vermögen die Drucker, täglich bis zu eine Million unterschiedliche Proben herzustellen.

In einem Experiment fahndete das Team nach einer geeigneten Legierung, um Sauerstoff aus Wasser zu gewinnen [4]. Dazu prüfte es mit Hilfe eines miniaturisierten chemischen Labors, das unermüdlich über die Glasplatten huschte, nahezu 5500 verschiedene Kombinationen aus Nickel, Eisen, Kobalt und Ceroxiden auf Stabilität und Leistungsfähigkeit. Der überzeugendste Kandidat ist zwar nicht der beste Katalysator für diese Reaktion, aber er ist transparent und lässt somit Photonen zum Lichtabsorber durchdringen. Mit dessen Material zeigt die ausgewählte Legierung zudem eine gute chemische Verträglichkeit.

"Der Nutzen wäre enorm, aber es ist offensichtlich nicht so einfach, wie man vor vierzig Jahren gedacht hat" (John Turner)

Eines der größten Hindernisse auf dem Weg zur künstlichen Fotosynthese stellt seit jeher das Material für die Photoanode dar, berichtet JCAP-Direktor Carl Koval. "Diese Dinger waren immer schrecklich instabil, häufig nicht einmal für Minuten stabil", so der Elektrochemiker. Manche Forscher konzentrieren sich bei ihrer Suche auf Materialien, die sowohl kostengünstig als auch stabil sind – beispielsweise bestimmte Metalloxide – und versuchen, daraus gute Lichtabsorber zu machen. Andere nehmen sich dagegen lieber effiziente Lichtabsorber vor und arbeiten daran, diese Materialien stabil und billig zu gestalten.

Ende Mai vermeldete ein Team vom JCAP einen Erfolg mit dem letztgenannten Ansatz [1]. Die Forscher ummantelten leistungsstarke Lichtabsorber – etwa aus Silizium – mit einer Schutzschicht aus Titandioxid und erzielten so eine deutlich höhere Stabilität. "Im Grunde haben wir damit nun das letzte Puzzlestück, um einen Prototyp der ersten Generation zu bauen", erläutert Koval. Ihm zufolge wird man am JCAP bereits in den kommenden Monaten ein künstliches Blatt in Betrieb nehmen.

Die Veröffentlichung eines Vorläufers samt Titandioxidbeschichtung sei schon in Arbeit, verrät Lewis. "Es handelt sich um ein stabiles System mit einem Wirkungsgrad im zweistelligen Prozentbereich." Um wirtschaftlich tragfähig zu sein, so wird angenommen, muss der Wert mindestens zwischen 10 und 20 Prozent liegen. Die eingesetzten Lichtabsorber bestehen innen aus einkristallinem Silizium und sind damit zu teuer, um das System zu vermarkten, räumt Lewis ein. Entwickelt man allerdings ein kostengünstigeres Herstellungsverfahren, könnte sich das System rechnen.

Spektrum der Ideen

Seit fast vier Jahren wird am JCAP geforscht. Anfangs, als noch neue Labore gebaut wurden, ging es noch langsam voran, doch sowohl Mitarbeiter als auch unabhängige Wissenschaftler loben den konsequenten Fokus auf die Entwicklung eines praxistauglichen Systems sowie die bisherigen Fortschritte. Sogar Turner, dessen Labor sich ebenfalls um den "Solar-fuels Hub" bewarb und gegen Lewis' Team verlor, ist angetan von der aktuellen Ausrichtung des JCAP.

Natürlich habe das Forschungszentrum auch seine Kritiker, so Koval. Einige beanstanden, dass der Schwerpunkt auf den Ingenieurwissenschaften sowie der Entwicklung von Prototypen liegt. Doch würde man sich am JCAP auf die Grundlagenforschung konzentrieren, so der Direktor, würde es nicht dem "nachkommen, wofür das DOE das Forschungszentrum in erster Linie einrichtete". Das JCAP verfolge nur eine von etlichen Ideen, bemängeln andere Kritiker, um die künstliche Fotosynthese voranzutreiben. "Viele wären zufriedener gewesen, wenn das DOE die Gelder auf alle diese verschiedenen Ansätze verteilt hätte", berichtet Koval. Aber eine solches Aufteilen der Forschungsarbeit berge ebenfalls Risiken, hält der Elektrochemiker dagegen: "Man würde dann vielleicht nirgendwo Fortschritte erzielen."

Zudem werden viele der alternativen Ansätze bereits an anderer Stelle verfolgt. Etwas weiter nördlich – in Santa Barbara, Kalifornien – testet ein junges Unternehmen namens HyperSolar beispielsweise ein System, in dem beschichtete Nano- oder Mikropartikel sowohl Lichtabsorber als auch Katalysator in sich vereinen und in einem transparenten, mit Wasser gefüllten Kunststoffbeutel verstaut werden. Scheint Sonnenlicht auf den Beutel, bilden sich Wasserstoff- und Sauerstoffgas darin, und er bläht sich auf. Solche Systeme ließen sich gut in sonnigen Regionen wie Wüsten einsetzen. Einem Bericht des DOE aus dem Jahr 2009 zufolge könnte dieser 'Beutelansatz' – wenn man preiswerte Materialien verwendet – mit einem Wirkungsgrad von zehn Prozent und über zehn Jahre in Betrieb wirtschaftlich Wasserstoff erzeugen [5].

Doch das System könne auch gefährlich werden, bemerkt Turner, denn Sauerstoff und Wasserstoff werden gemeinsam darin hergestellt. "Sind in einer Wüste, sagen wir, 100 Quadratmeilen von solchen Beuteln einschließlich dieser explosiven Mixtur überzogen", so der Elektrochemiker, "dann reicht ein Blitz, und es kommt zur Katastrophe." Die Forscher bei HyperSolar erkunden verschiedene Wege, um diese Gefahr zu auszuräumen. Ein Konzept sieht ein System vor, in dem die Gase getrennt in zwei Beuteln gespeichert werden, berichtet Syed Mubeen. Der Postdoc an der University of California in Santa Barbara arbeitet als leitender Wissenschaftler im Unternehmen. Das System mit Abwasser an Stelle von reinem Wasser zu betreiben, ist eine andere Idee. Der Sauerstoff würde dann mit organischen Fremdstoffen reagieren und diese in verwertbare Chemikalien umwandeln. Dieser Ansatz "lässt den Sauerstoff vollständig außen vor", erläutert Mubeen. Genau wie die Photoanode bei JCAP, schützt auch HyperSolar seinen Lichtabsorber durch eine Beschichtung.

Geschäft mit dem Licht

Ein weiterer Akteur auf dem Gebiet der künstlichen Fotosynthese ist die Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem). Dieser Zusammenschluss aus Hochschulen und Unternehmen wird von der Regierung mit einer ähnlichen Summe gefördert wie das JCAP – wenn auch über zehn anstatt fünf Jahre –, um einen auf Beuteln basierten Ansatz zu entwickeln. Kazunari Domen von der University of Tokyo leitet eine Gruppe, die im Rahmen der ARPChem an der Wasserspaltung forscht. Dem Chemiker zufolge arbeitet eine der Firmen im Konsortium an einer Membran, um den erzeugten Wasserstoff vom Sauerstoff zu trennen.

Andere Projekte setzen Lichtabsorber aus organischen Molekülen ein und nicht wie üblich aus Halbleitern. Einige Gruppen lassen sich bei diesen molekularen Strukturen direkt durch den pflanzlichen Fotosyntheseapparat inspirieren. In den vergangenen Jahren ließ eine Materialklasse namens Perowskit die Solarindustrie aufhorchen, angesichts des hohen Wirkungsgrads bei der Energieumwandlung; diese Materialien könnten sich auch in der künstlichen Fotosynthese bewähren, spekulieren einige Forscher.

Der Chemiker Daniel Nocera von der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, gründete die Firma Sun Catalytix, um einen preiswerten Katalysator zu entwickeln. Im vergangenen Jahr kündigte das Unternehmen jedoch an, die Forschung auf Eis zu legen und sich einem nicht ganz so anspruchsvollen Produkt zuzuwenden – einem, das den Investoren vermutlich schneller einen Gewinn beschert. Eine Entscheidung, die erneut die Herausforderung unterstreicht, vor denen die künstliche Fotosynthese steht, bevor ein wirtschaftlich tragfähiges System auf den Markt kommt.

Blasen in Berkeley

In Berkeley, Kalifornien, befindet sich der nördliche Standort des JCAP. An einem Frühlingstag präsentieren Forscher in den Laborräumen ihren Prototypen: Sobald eine Lampe auf den Kunststoffkasten in der Größe einer CD-Hülle scheint, steigen Wasserstoffbläschen zwischen blauen Siliziumstreifen, jeweils ummantelt mit einem Katalysatormaterial, auf und treten durch Schläuche an der Oberseite aus. Das System hält allerdings nicht lange durch, und auch der Wirkungsgrad ist nicht gerade berauschend. Gleichwohl motivieren die wie in einem Sektglas aufsteigenden Bläschen, die durch nichts weiter als Licht hervorgerufen werden.

Karl Walczak, der am JCAP als Postdoc mit an den Prototypen arbeitet, schiebt schließlich einen zweiten Kunststoffkasten unter die Lampe. Im Inneren befindet sich ein kleines schwarzes Quadrat – eine mit Titandioxid beschichtete Photokathode. Augenblicklich steigen auch in diesem System kleine Blasen auf, allerdings deutlich schneller als beim ersten. "In diese Richtung geht die Forschung", sagt Walczak.

Solche Prototypen könnten letztlich in industriellen Anlagen zur Wasserstoffproduktion münden, hoffen die Wissenschaftler am JCAP. Ihnen schweben kilometerlange Anordnungen derartiger Zellen vor, der erzeugte Wasserstoff gelangt durch Rohre in einen Lagertank und ein Wasserturm sorgt stetig für Nachschub. Einige Forscher können sich auch Systeme für den Heimgebrauch vorstellen. Doch auf ein Hausdach falle einfach zu wenig Sonnenlicht, mahnt Lewis, um mit dem erzeugten Wasserstoff den Energiebedarf einer Familie zu decken. Fehlt es jedoch an Energieinfrastruktur, etwa in bestimmten Regionen von Entwicklungsländern, halten andere Kollegen die Technik durchaus für sinnvoll. Denn mit ihr ließe sich genau dort Brennstoff erzeugen, wo er benötigt wird.

Wissenschaftler, ob am JCAP oder anderswo, machen derzeit Fortschritte an allen Fronten. "Doch letzten Endes", so Devens Gust von der Arizona State University in Tempe, "weiß noch niemand wirklich, welcher Ansatz sich behaupten wird, welcher sich als praktikabel erweist."

Welche Technik sich auch durchsetzen mag, sagt Lewis, die Sinnhaftigkeit einer künstlichen Fotosynthese ist unbestreitbar. "Unsere bei Weitem größte Energiequelle ist die Sonne", erläutert der Wissenschaftler. "Und abgesehen von Atomkernen lässt sich Energie am besten in chemischen Brennstoffen speichern. Zwangsläufig wird also jemand die größte Quelle hernehmen und sie in der dichtesten Weise speichern."


Der Artikel ist unter dem Titel "Solar energy: Springtime for the artificial leaf" in Nature erschienen.