Sonne zu Brennstoff: Auf dem Wasser schwimmende „Blätter“ erzeugen solaren Wasserstoff

Die Photosynthese ist das perfekte Beispiel für effiziente Energiegewinnung in der Natur. Mehr als CO2, Wasser und Licht brauchen Pflanzen nicht, um energiereiche Substanzen erzeugen zu können. Dabei dienen spezielle Enzyme als Photokatalysatoren, im mithilfe der Energie des Sonnenlichts elektrochemische Reaktionen anzustoßen. Auf ein ähnliches Konzept setzten Forscher:innen, die ultradünne, schwimmende Solarfabriken entwickelt haben, die ganz nach dem Vorbild der Photosynthese durch elektrochemische Prozesse aus Wasser und Kohlendioxid Wasserstoff oder Syngas produzieren können.

Dünnes Modul kann auf dem Wasser schwimmen

„Künstliche Blätter“ existieren bereits in einigen Varianten. Sie ahmen die Photosynthese nach und erzeugen so Wasserstoff, Sythesegas und andere nicht-fossile Kraftstoffe. Das „künstliche Blatt“, das Virgil Andrei von der University of Cambridge mit seinen Kolleg:innen entwickelt hat, geht noch einen Schritt weiter. Die photoelektrochemische „Fabrik“ der Forscher:innen passt auf einen ultraleichten Dünnfilm. Das ganze Modul wiegt so nur 30 bis 100 Milligramm pro Quadratzentimeter Dank eines flexiblen Trägermaterials und einer speziellen Deckschicht ist das Modul zudem in der Lage, auf dem Wasser zu schwimmen.

„Künstliche Blätter sind bisher meist schwer und zerbrechlich und daher schwer zu transportieren und zu skalieren. Wir wollten daher sehen, wie weit wir diese Technologie verkleinern können, ohne ihre Leistung zu verringern. Denn wenn sie leicht genug wird, um zu schwimmen, dann eröffnet das ganz neue Einsatzmöglichkeiten für solche Module„, so Andrei. So könnten die dünnen Minireaktoren als Wasserstoff- oder Syngas-Fabriken auf Seen oder gar auf dem Meer eingesetzt werden können.

Prototyp existiert bereits

Die Forscher:innen haben bereits einen Prototyp des schwimmenden Brennstoff-Produzenten konstruiert und getestet. Die Module bestehen dabei aus einer Polymer-Unterlage, auf der zwei lichtabsorbierende Photoelektroden aus Perowskit und dem Wismut-Vanadium-Oxid (BiVO4) mit organischen Halbleitern zusammengebracht wurden. Ergänzt wird dieser Aufbau durch Katalysatoren sowie Kohlenstoffnanoröhrchen.

Das Ergebnis ist ein flaches, flexibles Modul, das Sonnenlicht als Energiequelle nutzt, um eine elektrochemische Reaktion ablaufen zu lassen, in deren Rahmen Wasser und CO2 gespaltet wird. Je nach Katalysator wird bei dieser Reaktion entweder vorwiegend Wasserstoff oder ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff (Syngas) produziert. Die ersten Module wurden auf einem kleinen Fluss in Cambridge getestet und erzeugten pro Gramm und Stunde etwa 70,2 Mikromol Wasserstoff. Bei der Syngas-Cariante waren es 4,88 Mikromol Kohlenmonoxid und 2,11 Mikromol Wasserstoff. „Diese Werte entsprechen einer Solar-to-Fuel-Effizienz von 0,58 Prozent für Wasserstoff und 0,053 Prozent für Syngas„, so die Forscher:innen. Die Effizienz ähnele damit einem echten, pflanzlichen Blatt.

Technologie skalierbar

Das Team geht davon aus, dass solche ultraleichten, schwimmfähigen Solar-to-Fuel-Module ganz neue Möglichkeiten zur Erzeugung „grünen“ Wasserstoffs und anderer Brennstoffe aus Sonnenlicht. „Diese schwimmenden Blätter vereinen die Vorteile verschiedener Solartechnologien in sich, denn sie sind leicht wie organische Solarzellen aus Pulversuspensionen und leistungsfähig wie verkabelte Hochleistungsmodule„, erklärt Andrei. Die schwimmenden Wasserstoffreaktoren kommen im Gegensatz zu den Hochleistungsmodulen ohne Kabel aus und arbeiten weitestgehend autonom.

Allerdings muss die Technologie noch weiter optimiert werden. Die Forscher:innen sind jedoch zuversichtlich, solche künstlichen Blätter auch in größer skalierten Maßstäben herstellen zu können.

„Unsere Studie demonstriert, dass sie mit modernen Produktionstechniken kompatibel sind und damit eine künftige Automatisierung der Herstellung ermöglichen. Solarparks für die Stromproduktion sind bereits verbreitet. Wir stellen uns ähnliche Parks für die Brennstoff-Synthese vor. Sie könnten dann Küstenstädte oder Inseln mit Wasserstoff oder Syngas versorgen, aber auch verschmutzte Industrieteiche abdecken oder die Wasserverdunstung aus Bewässerungskanälen verringern„, so Andrei weiter.

via University of Cambridge