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Biophysik: Die chemische Batterie mit Licht aufladen

Sie ist der einsame Renner unter den Kraftwerkstypen: Die Fotosynthese versorgt seit Milliarden Jahren zuverlässig und umweltfreundlich fast alle Organismen auf der Erde mit der Energie zum Leben. Dabei ist es alles andere als einfach, Licht einzufangen und seine Energie in chemische Bindungen umzuwandeln. Genau dies ist Wissenschaftlern nun nach dem Vorbild der Natur gelungen.
Eigentlich ist der Euro schuld! Vor seiner Einführung gehörte es zum festen Ritual eines jeden Auslandsaufenthalts, die gute D-Mark in skeptisch beäugte Fremdwährung zu wechseln. Je nach erwünschtem Grad des damit gekoppelten Nervenkitzels vollzog man den Vorgang bei der heimischen Bank, einer offiziellen Wechselstube oder dem sympathischen Schwarztauscher an der Ecke. Doch gleich, welchem Maß an Legalität man den Vorzug gab: Obwohl D-Mark, Lire, Franc und Peseten allesamt Währungen sind – beim Tausch musste der Kunde stets draufzahlen.

Womit der Euro weit gehend Schluss gemacht hat, das erfreut sich im Reich der Energien weiterhin allergrößter Beliebtheit. Wenn Sie mit dem Hammer auf den Lukas hauen, auf dem Herd Ihr eigenes Süppchen kochen oder mit dem Solarmobil zum Einkaufen sausen – Sie erhalten niemals so viel Nutzen, wie Sie an Energie reinstecken. Denn bei der Umwandlung von einer Energieform in die andere geht stets eine Wechselgebühr verloren, die meist das Universum in Form von Wärme einstreicht.

Besonders groß sind die Verluste, wenn die beiden Varianten der Energie eigentlich irgendwie und überhaupt so fast gar nichts miteinander zu tun haben. Beispielsweise wenn die Ausgangsform eine locker elegante elektromagnetische Strahlung ist, die sich wahnsinnig schnell im Raum ausbreiten kann und so flüchtig wie ein genialer Gedanke auftritt. Licht also. Und diese edle Energie soll in ein chemisches Kostüm gepresst werden. Dauerhaft, träge, an Materie gebunden, uncool lokalisiert. So etwas kostet!

Fast zwei Drittel der Energie des Lichts geht verloren, wenn Pflanzen es sammeln und fixieren. Und selbst dafür mussten sie ungemein komplizierte Spezialeinrichtungen entwickeln, deren Produktion ihrerseits auch nicht billig ist. Doch wie dem Urlauber, so bleibt auch der Pflanze keine andere Wahl. Von der Wurzelspitze bis zur Blattknospe besteht sie aus chemischen Verbindungen, die auf einfachere Moleküle zurückgehen. Will sie leben, so hat sie dem Kohlendioxid seinen Kohlenstoff zu entreißen, Stickstoff zu sammeln, wo er sich zeigt, und Unmengen von Spurenelementen in ungezählte Zellbausteine einzusetzen. Das alles kostet Energie, und die stammt aus dem Sonnenlicht. Restlos.

Der Spezialist für die pflanzliche Energieumwandlung ist der Fotosyntheseapparat. Im Detail kompliziert, ist sein Funktionsprinzip relativ einfach: Mit Farbstoffen Licht auffangen, die Energie nutzen, um positive und negative elektrische Ladungen in entgegengesetzte Richtungen zu transportieren und anschließend diesen Biokondensator nur in kleinen Portionen entladen, wobei für jedes Energiepaket zwei Moleküle miteinander verbunden werden, die eigentlich viel glücklicher getrennt voneinander sind. Diese zwangsvermählten Moleküle mit Namen Adenosintriphosphat (ATP) sind dann der Lohn der Mühe, der überall, wo chemische Energie gefragt ist, als Währung akzeptiert wird.
Den Ablauf der Fotosynthese kennt die Wissenschaft schon lange. Sie im Reagenzglas nachzustellen, gelingt ihr erst jetzt so nach und nach. Ein deutsch-schweizer Team um Stefan Matile von der Universität Genf hat auf diesem Weg einen bedeutenden Schritt nach vorne getan. Von synthetischen Molekülen ausgehend, errichteten sie ein System, das Lichtenergie zur Ladungstrennung nutzt und davon angetrieben einen Fluss von Ionen ermöglicht – allerdings noch ohne angeschlossene chemische Reaktion. Ähnliche Experimente, die früher durchgeführt worden waren, hatten dies nur geschafft, indem sie natürliche Komponenten verwendeten, die zuvor aus Pflanzen isoliert worden waren.

Für ihr künstliches Fotosystem ließen die Forscher langkettige Phenyl-Abkömmlinge mit Naphthalen-Vebindungen reagieren, die sich in den Membranen kleiner Vesikel spontan zu gewundenen Röhren zusammenfanden. Im Inneren der Vesikel steckte ein Akzeptor für Elektronen, während die Umgebungslösung einen Donor enthielt. Fiel Licht auf die Probe, wurde seine Energie genutzt, um ein Elektron an den Akzeptor abzugeben, bevor sie als Fluoreszenz wieder abgestrahlt werden konnte. Seine elektrische Neutralität erhielt das Fotosystem zurück, indem es seinerseits dem Donor ein Elektron entriss. Unter dem Strich ergab das den Transport eines Elektrons und somit einer Ladung von außen nach innen – ein elektrochemisches Ungleichgewicht, mit dessen Triebkraft sich im Prinzip Arbeit verrichten ließe. Im aktuellen Versuch ließen die Experimentatoren den Ausgleich jedoch anders zu: Sie gaben eine Art "Schaltermolekül" in die Lösung, das sich zu dem Photosystem gesellte und seine Struktur veränderte. Aus der Elektronenpumpe wurde dadurch ein Ionenkanal – eine Umwandlung, die leider nur in eine Richtung funktionierte.

Die natürlichen Fotosysteme der Pflanzen sind gegenwärtig zweifellos raffinierter und ausgereifter. Doch ihr synthetisches Pendant ist eine bemerkenswerte Umsetzung, die zu effizienteren Konstrukten mit umschaltbaren Eigenschaften führen könnte. Sind diese dann erstmal in der Lage, aus Licht und einfachen Grundstoffen komplexe chemische Verbindungen herzustellen, wäre damit eine interessante Entwicklung angestoßen. Was daraus werden kann, können wir bei jedem Waldspaziergang und auf jeder Wiese beobachten.

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