Von Hanno Charisius

Mit künstlichen Blättern wollen Forscher die pflanzliche Photosynthese nachahmen und Sonnenstrahlen in Treibstoff verwandeln.

Michael Beard ist ein schwer übergewichtiges Ekelpaket. Ein britischer Nobelpreisträger mit Bindungsproblemen, der sich mitschuldig macht am Tod des einen Liebhabers seiner Frau und dem zweiten Geliebten den Unfall als Mord in die Schuhe schiebt. Vor allem aber stiehlt er dem Toten eine Idee, die nicht weniger als alle Klima- und Energieprobleme der Welt lösen könnte.

Dieser Beard ist eine Romanfigur des britischen Schriftstellers Ian McEwan, er spielt in dem Buch "Solar" die fragwürdige Heldenrolle. Doch die weltrettende Erfindung, die McEwan beschreibt, gibt es tatsächlich. Sie entsprang dem Hirn des Chemikers Daniel Nocera, Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge bei Boston, der ansonsten keine Ähnlichkeit mit der Romanfigur hat.

Streng genommen war es auch nicht Noceras Idee, sondern eine mehr als zweieinhalb Milliarden Jahre alte Erfindung der Natur. Sie ermöglicht es Pflanzen, Algen und vielen Bakterien, Sonnenlicht einzufangen und dessen Energie in chemischen Verbindungen wie Zucker zu speichern. Nocera hat einen Weg gefunden, einen Teil dieser sogenannten Photosynthese technisch nachzuahmen. Bei ihm entsteht jedoch nicht Zucker, sondern Wasserstoff. Das Gas kann, wenn es sich mit Sauerstoff aus der Luft wieder zu Wasser verbindet, sehr viel Energie freisetzen, die etwa in Motoren oder Brennstoffzellen genutzt werden kann.

In jeder Stunde trifft mit dem Sonnenlicht mehr Energie auf die Oberfläche der Erde, als wir Menschen in einem Jahr verbrauchen", sagt Nocera. "Wir benötigen also nur einen kleinen Teil davon." Gegenüber herkömmlichen Solarzellen hätte die künstliche Photosynthese den Vorteil, dass sie nicht nur Strom liefert, wenn die Sonne scheint, sondern Energieträger produziert, die sich speichern lassen. Weil das verlockend klingt, versuchen mittlerweile Labore auf der ganzen Welt, die Tricks der Natur nachzuahmen. Großbritannien hat eine eigene Initiative ausgelobt, japanische Teams sind erfolgreich bei der Entwicklung neuartiger Solarzellen, das amerikanische Energieministerium investiert 122 Millionen Dollar über fünf Jahre in ein "Zentrum für künstliche Photosynthese" in Kalifornien. Auch in Deutschland befassen sich viele Arbeitsgruppen mit dem Thema, etwa die von Alfred Holzwarth, Professor am Max-Planck-Institut für Bioanorganische Chemie in Mülheim an der Ruhr, wo in der kommenden Woche eine Photosynthese-Tagung stattfindet.

So viele Forscher es in diesem Feld gibt, so viele verschiedene Ansätze verfolgen sie. Dabei wird es aber nicht so sein, dass einst künstliche Blätter im Sommerwind rascheln so wie die natürlichen Vorbilder. Viel wahrscheinlicher werden Photosynthese-Module aussehen wie gewöhnliche Solarzellen, vielleicht auch wie Luftpolsterfolie, die man als Verpackungsmaterial kennt. Manche Forscher denken auch an Anstriche für Häuser oder gar photosynthetische Autolacke.

Künstliche Blätter werden nicht aussehen wie ihre natürlichen Vorbilder, aber ihre Funktion ist von der Natur inspiriert, um die größte Energiequelle der Welt - die Sonne - anzuzapfen", sagt Nathan Lewis, Chemie-Professor am California Institute of Technology in Pasadena, Kalifornien, der das amerikanische 122-Millionen-Dollar-Projekt leitet. Es geht also nicht darum, die Tricks der Natur eins zu eins nachzuahmen. Auch Alfred Holzwarth aus Mülheim benutzt den Begriff "künstliche Photosynthese" zurückhaltend, er spricht eher von "verschiedenen Möglichkeiten, Sonnenenergie in Energieträger zu verwandeln".

Wasserstoff wäre ein solcher Energieträger. Auch natürliche Grünpflanzen produzieren ihn, wenngleich er niemals gasförmig in ihren Zellen auftaucht. In einem frühen Zwischenschritt auf dem langen Weg vom Sonnenlicht zum Zucker spalten Pflanzen Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff, die dann von der Photosynthesemaschinerie weiterverarbeitet werden. So kam Daniel Nocera auf die Idee, die Wasserspaltung nachzuahmen.

Nach einer Reihe wenig erfolgreicher Versuche rührte der Chemiker 2008 Kobalt- und Phosphatpulver in einen Wasserbecher, hängte zwei Elektroden in das Gemisch, setzte das ganze unter Strom. Bald stiegen verheißungsvolle Wasserstoffbläschen auf. Dieses Prinzip der Elektrolyse, bei der Wassermoleküle mit Elektrizität in ihre Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerrissen werden, ist zwar seit mehr als 200 Jahren bekannt. Doch Noceras Pulvermischung machte das Verfahren wie mit einem Zaubertrick schlagartig effizienter und billiger.

Das ist vielleicht nicht der leistungsfähigste Weg, Wasser zu spalten, aber es ist der billigste und robusteste, den wir bislang kennen", sagt der Chemiker. Mit robust meint er, dass sein System über Monate hinweg ohne Leistungsabfall funktioniert; sogar wenn er Wasser aus dem Charles River verwendet, der die Universitätsstadt Cambridge von der Metropole Boston trennt. Wer den Fluss einmal gesehen hat, in den selbst im Sommer nur Verrückte springen, weiß diese Tatsache zu würdigen.

Noceras reaktionsbeschleunigendes Kobalt-Phosphat-Gemisch lagert sich als Schicht an eine der Elektroden an, zerbröselt in regelmäßigen Abständen und baut sich dann wieder selbständig auf. "Selbstheilungskräfte", attestiert Nocera seinem Katalysator. Wie genau dieser die Wasserspaltung bewerkstelligt, weiß er allerdings noch nicht. In einer Pflanzenzelle ist dafür ein Gitter aus vier Mangan- und noch ein paar weiteren Atomen zuständig. Einige Bakterien benutzen Kobalt statt Mangan für diese Aufgabe, was Nocera vermuten lässt, dass sich in seinem Katalysator Ähnliches abspielt.