Biosolarzelle produziert Wasserstoff: Forscher wandeln Licht direkt um

Eine Biosolarzelle, die statt Strom Wasserstoff liefert, haben Forscher aus Bochum und Cambridge in Großbritannien entwickelt. Akteure sind molekulare Bauteile von Pflanzen und Mikroorganismen, die zusammengefügt werden wie Legosteine. Die Pflanzenzellen verwandeln, wie es auch in der Natur vorkommt, das Licht der Sonne und Kohlendioxid, das sie der Luft entnehmen, in Biomasse. Diese dient als Nahrung für Mikroorganismen, die Wasserstoff erzeugen. „Von der Kombination der beiden Prozesse erhoffen wir uns langfristig eine nachhaltige Herstellung des potenziellen Energieträgers Wasserstoff“, sagt Privatdozent Marc Nowaczyk vom Lehrstuhl Biochemie der Pflanzen der Ruhr-Universität Bochum.

Bausteine der Zelle stammen aus Bakterien

Die Ergebnisse der Forschung stellt das Team um Nowaczyk, Erwin Reisner von der University of Cambridge und Adrian Ruff vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie in der Zeitschrift „Nature Energy“ vor. Die molekularen Bauteile von Pflanzen stammen aus Cyanobakterien, die früher Blaualgen genannt wurden. In Wirklichkeit sind es tatsächlich Bakterien, die aber, anders als ihre Namensvetter, die Fähigkeit haben, Licht in Biomasse zu verwandeln. Die Komponente zur Wasserstoffproduktion – ein Enzym namens Hydrogenase – gewannen sie aus Bakterien, die unter sauerstoffarmen Bedingungen leben.

Die Bausteine der Cyanobakterien entziehen, durch Sonnenlicht mit Energie versorgt, Wasser Elektronen. Diese fließen durch einen in Bochum entwickelten Kunststoff mit er Bezeichnung Redox-Polymer zu einer Elektrode, an der der Wasserstoff entsteht. „So konnten wir erstmals eine Biosolarzelle entwickeln, die direkt einen chemischen Energieträger, in unserem Fall Wasserstoff, erzeugt“, resümiert Ruff.

Auch andere Energieträger lassen sich produzieren

Der modulare Aufbau der Zelle ermöglicht unterschiedliche Kombinationen. Wie bei einer Lego-Konstruktion können unterschiedliche Bausteine miteinander kombiniert werden. „Unser molekularer Legokasten bietet vielfältige Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen“, sagt Nowaczyk. „Denkbar wäre es zum Beispiel, flüssige Energieträger auf der Basis von Kohlenstoff aus dem klimaschädlichen Kohlendioxid herzustellen.“

Der Vorteil einer direkten Herstellung von Wasserstoff und anderen Energieträgern liegt darin, dass nur ein Schritt benötigt wird. Heutige Anlagen zur Herstellung von Wasserstoff sind Elektrolyseure. Diese benötigen Strom. Der kann in Solarzellen erzeugt werden. Letztlich produziert auch dieses zweistufigen System Solarwasserstoff, aber mit viel höherem Aufwand. Die Biosolarzelle hat derzeit allerdings noch einen Nachteil: Der Wirkungsgrad ist zu gering.