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Künstliche Photosynthese zur Lösung der Energie- und Klimaprobleme?

Um die Wende zu einer nachhaltigen regenerativen Energieversorgung der Zukunft zu erreichen, setzen Forscher auf die Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff und Kohlenstoffverbindungen in künstlichen chemischen Systemen. Dabei streben sie einen höheren Wirkungsgrad als bei der pflanzlichen Photosynthese an. Andere Szenarien sehen vor, die Energiebilanz der Photosynthese durch modifizierende Eingriffe zu verbessern.

Die Photosynthese der Pflanzen ist der bei weitem wichtigste Prozess der Energiegewinnung in der Natur und stellt die Grundlage für alle Nahrung von Tieren und Menschen auf der Erde dar. Bis zur Ausbeutung fossiler Energieträger, die im großen Maßstab erst im 18. Jahrhundert mit der frühen Industrialisierung in England einsetzte, war die Photosynthese auch die hauptsächliche Primärenergiequelle des Menschen (vor allem als Brennstoff), und für Hunderte von Millionen der ärmsten Weltbevölkerung ist sie das bis heute geblieben.

Erneuerbare und nachhaltige Energiequellen

Das manganhaltige wasserspaltende Zentrum im Photosystem II © TU Berlin

Allerdings ist die Verwendung der Pflanzen als regenerative (erneuerbare) Energieträger in diesem ersten „solaren Zeitalter" keineswegs nachhaltig gewesen; man denke nur an die großflächigen Entwaldungen und Verwüstungen in der Vergangenheit. Wenn man sich heute bemüht, eine Energiewende und ein neues solares Zeitalter einzuläuten, in dem die fossilen Rohstoffe Kohle, Erdöl, Erdgas durch sogenannte „renewables" ersetzt werden - das heißt regenerative Energiequellen wie aus pflanzlicher Photosynthese stammendes Bioethanol, Biodiesel und Biogas -, sollte man bedenken, dass „regenerativ" oder „renewable" und „nachhaltig" („sustainable") nicht dasselbe sind.

Bei der Photosynthese wandeln Pflanzen mit Hilfe von Sonnenlicht als Energiequelle Kohlendioxid (CO2) und Wasser in organische Verbindungen um, dabei entstehen Kohlenhydrate - vor allem Stärke und Saccharose (Rohrzucker). Die Umwandlung erfolgt in mehreren Schritten. Der erste ist die Absorption von Lichtquanten, deren Energie zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff (genauer: Protonen und energiereiche Elektronen) und Sauerstoff eingesetzt wird. Während die Pflanze den für Tier und Mensch zur Atmung lebensnotwendigen Sauerstoff in die Umwelt abgibt, verwendet sie den Wasserstoff in einer zweiten Lichtreaktion zur Synthese hochenergetischer organischer Moleküle (ATP). Deren Energie dient dann in einer komplexen enzymatischen Reaktion der Reduktion von CO2 zu Kohlenhydraten.

Bei der Diskussion über umweltfreundliche, regenerative Energiequellen und nachhaltiges Wirtschaften sind drei Aspekte der Photosynthese von besonderer Bedeutung: Erstens, Sonnenlicht als unerschöpfliche, saubere Energiequelle; zweitens die Umwandlung und Speicherung der Energie in Form von Wasserstoff beziehungsweise wasserstoffreichen Kohlenstoffverbindungen; drittens die Produktion von Nährstoffen für eine wachsende Bevölkerung auf dem immer enger werdenden Planeten Erde. Diese Aspekte sind miteinander verschränkt. Deshalb sind auch die Diskussionen - einerseits um umweltfreundliche Energien, andererseits um Nahrungsmittel für die Menschheit - nicht voneinander zu trennen.

Schema der Photosynthese © TU Berlin

Im Prinzip setzt der Verbrauch photosynthetisch hergestellter Kohlenstoffverbindungen als Energieträger und Nahrungsmittel nur so viel CO2 frei, wie die Pflanzen zuvor gebunden hatten. Dabei ist allerdings der Energieverbrauch durch Maschinen, chemischen Dünger, Herbizide usw. nicht berücksichtigt. Andere Überlegungen gehen dahin, photosynthetisch hergestellten Wasserstoff zu nutzen, denn Wasserstoffgas (H2) ist ein sauberer Energieträger – bei seiner Verbrennung entsteht nichts anderes als Wasser. Leider ist H2 hochexplosiv und schwer zu speichern und zu transportieren. Die meisten Szenarien zur zukünftigen Energieversorgung (beispielsweise das im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung erstellte  Energieforschungskonzept der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften – acatech) sehen daher eine Umwandlung von H2 in leichter handhabbares Methanol oder Methan vor, was die Energiebilanz verschlechtert.

Die „Ineffizienz“ der Photosynthese

Nur ein kleiner Teil der einfallenden Sonnenenergie wird von der Pflanze für die Synthese energiereicher Kohlenstoffverbindungen genutzt; der Wirkungsgrad der Nettoprimärproduktion liegt – in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen bei mageren 0,5 bis 1,5 Prozent. „Das können wir besser“, haben sich manche Wissenschaftler und Techniker gedacht und Forschungsprojekte zu einer künstlichen Photosynthese in Angriff genommen, die zur Lösung der menschengemachten Energie- und Klimaprobleme beitragen sollen.

Der Freiburger Physiker Professor Dr. Christoph Nebel vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik verwendet als Lichtfänger eine Modifikation von Cytochrom c, einem roten Protein, das in den Mitochondrien der Zelle der Elektronenübertragung dient. Diese Cytochrom-c-Moleküle werden geordnet auf eine Grenzfläche von Diamant in wässrigem Milieu gebunden. Wenn das Cytochrom mit Licht bestrahlt wird, überträgt es Elektronen aus dem Wasser auf die Kohlenstoffatome des Diamanten. Dabei entsteht Wasserstoffgas. Noch liegt der Wirkungsgrad bei unter einem Prozent, aber theoretisch seien Wirkungsgrade von 20 bis 30 Prozent erreichbar, erklärte der Forscher in der Sendung „Forschung aktuell“ von dradio.de am 05.02.2010. Es müsse auch nicht unbedingt Diamant sein, obwohl sich Diamant heute billig herstellen lasse; auch auf anderen Kohlenstoff-Grenzflächen lässt sich der lichtinduzierte Elektronentransfer von Cytochrom c durchführen. Leider werden die lichtaktiven Proteine durch intensive Bestrahlung zerstört. So interessant diese Experimente sind, es scheint doch schwer vorstellbar, dass sich daraus ein Ansatz für eine nachhaltige Energiegewinnung entwickelt.

Photokatalytische Umwandlung von Kohlendioxid

Andere Ansätze zur Wasserstofferzeugung, die in der Presse als „künstliche Photosynthese“ angekündigt worden sind, sollte man besser als lichtabhängige Metallkatalyse bezeichnen. Beispielhaft dafür ist ein Vorhaben am Institut für Festkörperforschung im Forschungszentrum Jülich. Gemeinsam ist derartigen Projekten, dass sie seltene und teure Metalle wie Platin, Iridium oder Ruthenium als Katalysatoren benötigen. Nicht um Wasserstoffgewinnung, sondern um die Fixierung und Nutzbarmachung des Klimagases CO2 nach dem Vorbild der Photosynthese geht es bei „Solar2fuel“, einem Verbundprojekt von BASF, EnBW, Universität Heidelberg und Karlsruher Institut für Technologie im Rahmen des Spitzenclusters „Forum Organic Electronics“. Ziel dieses Projektes ist es, das bei Verbrennungsprozessen anfallende CO2 durch Photokatalyse in Methanol umzuwandeln. Das Sonnenlicht soll dabei von organischen Farbstoffen absorbiert und seine Energie zur Aktivierung von CO2 verwendet werden. Dabei werden neue katalytische Prozesse mit Ansätzen aus der Nanotechnologie und Materialforschung kombiniert. „Ein solches Verfahren der Photokatalyse könnte neue Wege zur Erzeugung leicht handhabbarer Energieträger aufzeigen“, erklärte Professor Dr. Michael Grunze vom Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg. Die am Solar2fuel-Projekt beteiligten Forscher erhoffen sich, dass auf diese Weise Sonnenlicht direkt zur Verwertung von CO2 genutzt werden kann – „ähnlich wie bei der pflanzlichen Photosynthese, nur in einem deutlich effizienteren Prozess".

Prof. Dr. Markus Antonietti © Max-Planck-Gesellschaft

Das Problem ist, dass CO2 ein äußerst stabiles und reaktionsträges Molekül ist und seine chemische Aktivierung nach den Worten von Professor Dr. Markus Antonietti „eine der größten Herausforderungen der Synthesechemie" darstellt. Der Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung ist für seine Arbeiten auf dem Gebiet der nachhaltigen Chemie auf der Basis umweltfreundlicher Energiekreisläufe und nachwachsender Biomasse mehrfach ausgezeichnet worden - zuletzt mit der Ehrendoktorwürde der renommierten Stockholmer Universität.

Im Unterschied zu den bisher genannten Projekten verwenden Antonietti und sein Team nichtmetallische Katalysatoren, und zwar graphitisches Kohlenstoffnitrid (C3N4), ein aus graphitartigen Schichten bestehendes Ringsystem aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Das Kohlendioxid wird an die Stickstoffatome des Katalysators gebunden und zu einem Carbamat-Komplex aktiviert, der als Zwischenstufe weiterer chemischer Reaktionen dient. Vorbild für den Katalysator ist das Enzym RuBisCo (Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase), das in der pflanzlichen Photosynthese  für den ersten Schritt des CO2-Einbaus in eine organische Verbindung verantwortlich ist und das erst durch Bindung von CO2 an die Stickstoffgruppe der Aminosäure Lysin im Enzym aktiviert wird. Diese Arbeiten könnten einen Weg aufzeigen, die CO2-Belastung der Atmosphäre zu reduzieren und gleichzeitig wirtschaftlich interessante Substanzen zu synthetisieren. Dazu braucht es aber „Forschung mit dem langen Atem für die dicken Bretter", wie sie nach Antoniettis Urteil die Max-Planck-Gesellschaft ermöglicht.

Das häufigste Protein der Erde

Dreidimensionales Modell des Enzyms RuBisCo © Protein Data Bank

Auch RuBisCo gilt, wie die gesamte natürliche Photosynthese, als notorisch „ineffizient". Dieses Enzym fixiert nicht nur CO2 und leitet seine Umwandlung in Zucker und Sauerstoff (O2) ein, sondern es bindet in einer Konkurrenzreaktion auch Sauerstoff (O2). RuBisCo ist ein uraltes Protein - entstanden zu einer Zeit, als auf der Erde völlig andere Bedingungen herrschten: mit hohen CO2-Konzentrationen und sehr geringem O2-Gehalt in der Atmosphäre. Damit zumindest erklären manche Wissenschaftler die schlechte Wirksamkeit dieses Enzyms, das heute mit Abstand das häufigste Protein auf der Erde ist; pro Kopf der Weltbevölkerung entfallen etwa 10 bis 20 kg RuBisCo (Angaben von Prof. Dr. Mark Stitt, früher am Botanischen Institut Heidelberg, heute am Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie). Jetzt versuchen verschiedene Forschungsgruppen, darunter das Team von Dr. Manajit Hayer-Hartl am Max-Planck-Institut für Biochemie, RuBisCo so zu verändern, dass es CO2 effektiver als das Original umsetzt.

Nicht alle Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass die diversen Ansätze, die Photosynthese zu verbessern, zum Erfolg führen werden. Photosynthese gibt es seit mindestens 2,7 Milliarden, wenn nicht sogar mehr als 3 Milliarden Jahren, so lautet ein Argument, und die Evolution hat alle Zeit der Welt zur Verfügung gehabt, um diesen fundamentalen Lebensprozess durch Selektion zu optimieren. Auch handelt es sich um einen extrem komplexen Prozess. Jedes der beiden Photosysteme in den Chloroplasten der Pflanzen besteht aus vielen Dutzend verschiedenen Komponenten: Lichtantennen, Elektronenüberträger, Enzyme, Rezeptoren und Membranpumpen.

Es klingt nach Hybris, wenn Menschen glauben, das könnten sie besser machen. Die Ökologen verweisen auch immer wieder darauf, dass bei den Energiebilanzen alle Schritte, Mittel und Wege im Verlauf des Prozesses eingerechnet werden müssen. Wenn man das berücksichtigt, ist der Wirkungsgrad der natürlichen Photosynthese nicht mehr so schlecht im Vergleich zu menschengemachten regenerativen Energiequellen. Nach diesen Argumenten kann eine zukünftige nachhaltige Energiewirtschaft eher verwirklicht werden, wenn man auf wirksamere Sorten und verbesserte Nutzung von Nahrungs- und Energiepflanzen setzt, als auf künstlich verbesserte Photosynthese.

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Herbizid ist ein Unkrautvernichtungsmittel.
  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der selektiv eine bestimmte chemische oder biochemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herunter setzt. Der Katalysator selbst wird dabei nicht verbraucht.
  • Lytisch zu sein ist die Eigenschaft eines Bakteriophagen, seine Wirtszelle bei der Infektion zu zerstören.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Unter Selektion im biologischen Sinn versteht man die Auslese von Organismen aufgrund ihrer Merkmale. Dies kann einerseits durch natürliche Selektionsmechanismen ("survival of the fittest") im Zuge der Evolution geschehen. Unter künstlicher Selektion versteht man andererseits die Auslese von Organismen durch den Menschen, z.B. in der Zucht. Auch in der Gentechnik wird künstliche Selektion angewandt, um einen gentechnisch veränderten Organismus anhand neu eingebrachter Eigenschaften (z. B. Antibiotikaresistenz) zu identifizieren.
  • Mit Nanotechnik ist Forschung und Technologieentwicklung auf der atomaren Ebene in einer Größenordnung von einem bis einhundert Nanometern gemeint. Sie hat zum Ziel, Strukturen, Geräte und Systeme zu schaffen und zu nutzen, die aufgrund ihrer geringen Größe neue Eigenschaften und Funktionen besitzen.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • L-Lysin ist eine basische und essentielle Aminosäure.
  • Saccharose (auch Rohrzucker, Rübenzucker) ist ein Disaccharid (Zweifachzucker), das in zahlreichen Pflanzen, wie z. B. der Zuckerrübe, in kleinen Mengen (bis zu 20%) zu finden ist. Saccharose setzt sich aus den Einfachzuckern Glucose und Fructose zusammen.
  • Absorption steht in der Biologie für Aufnahme (im pharmakologischen Zusammenhang ist die Aufnahme eines Wirkstoffes gemeint; im physikalischen Zusammenhang ist die Aufnahme von Licht gemeint)
  • Ein Mitochondrium ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Organell, das im Zellinneren der Eukaryonten vorkommt. Als "Kraftwerk der Zelle" dient es der Energiegewinnung, weshalb Zellen mit hohem Energiebedarf (z. B. Muskel- oder Nervenzellen) viele Mitochondrien enthalten.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der aus Pflanzenölen (z. B. aus Raps) oder tierischen Fetten hergestellt und als Kraftstoff oder Kraftstoffkomponente verwendet wird (Biokraftstoffe).
  • Bioethanol (Ethylalkohol) gehört zu den Biokraftstoffen. Es handelt sich dabei um Ethanol, das ausschließlich aus nachwachsenden Kohlenstoffträgern, nämlich auf Basis zucker- oder stärkehaltiger Feldfrüchte oder aus zellulosehaltigen Pflanzenbestandteilen (Zuckerrübe, Rohrzucker, Getreide) hergestellt wurde. Die Stärke wird enzymatisch in Glukose aufgespalten und diese anschließend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren.
  • Biogas ist ein brennbares Gasgemisch, das bei der Zersetzung von Biomasse (Fäkalien, Bioabfall, Stroh u. a.) entsteht. Dabei wird das komplexe organische Material mit Hilfe verschiedener Mikroorganismen unter Luftabschluss hauptsächlich in Kohlendioxid und Methangas umgewandelt.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • Ein Stoff aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe und somit eine chemische Verbindung. Es ist geruchslos, farblos und brennbar. In der Industrie wird es oft als Heizgas verwendet.
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