Treibstoff der Zukunft:Die Wasserspalter

Pflanzen spalten Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Forscher des MIT in Boston haben den Trick nun im Labor wiederholt.

Christopher Schrader

Bisweilen müssen Forscher ihre Vorbilder nur klein genug wählen, um Erfolg zu haben. Daniel Nocera hat sich an Chloroplasten orientiert, den grünen Körnchen in Pflanzen, die Sauerstoff und Zucker aus Kohlendioxid und Sonnenlicht machen.

Treibstoff der Zukunft: Der Versuchsaufbau am MIT.

Der Versuchsaufbau am MIT.

(Foto: Foto: Nocera/MIT/NSF)

Aus der komplizierten Chemie der Photosynthese hat sich der Chemiker vom Massachusetts Institute of Technology in Boston den ersten Schritt herausgegriffen: Da spalten Pflanzen Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Den Trick hat Nocera nun im Labor wiederholt.

Wasserstoff gilt als möglicher Treibstoff der Zukunft. Das Gas setzt Energie frei, wenn es sich mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser verbindet, in Brennstoffzellen entsteht dann Strom. Mindestens genauso viel Elektrizität aber muss vorher aufgewandt werden, um den Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen.

Ein gewaltiges Problem

Eine Vision der Techniker ist daher, in sonnigen Gebieten große Solarfarmen aufzubauen, die ihre Stromernte nutzen, Wasserstoff herzustellen, der dann zum Verbraucher transportiert wird. Auch Eigenheimbesitzer könnten auf dem Dach Solarstrom erzeugen und Überschüsse für Nachtstunden als Wasserstoff speichern.

Vorher müssen viele Probleme gelöst werden, und ein gewaltiges steht am Anfang: Wie lässt sich Wasser am besten spalten?

Die generelle Antwort gibt es seit 200 Jahren. Hält man zwei Elektroden in einen Wassertank und legt Gleichspannung an, bildet sich bei dem Elektrolyse genannten Verfahren am Pluspol Sauerstoff, am Minuspol Wasserstoff.

Auch großtechnisch funktioniert das längst. "Dann wird das Wasser entweder zur starken Säure oder zur starken Lauge gemacht, sonst ist es nicht leitfähig genug", sagt Angelika Heinzel von der Universität Duisburg, die die Fachgruppe angewandte Elektrochemie in der Gesellschaft Deutscher Chemiker leitet.

Die aggressiven Flüssigkeiten erfordern spezielle Elektroden. In der Lauge muss die Anode, wo Sauerstoff entsteht, aus Nickel, in der Säure aus Platin sein. "Wenn wir Solarenergie nutzen, müssen wir große Flächen bedecken", sagt John Turner vom amerikanischen Nationallabor für erneuerbare Energie in Science, wo Noceras Arbeit auch erschienen ist (online). Edelmetall erscheint da kaum geeignet.

Der MIT-Chemiker hat nun mit einem Mitarbeiter einen Prozess erdacht, der in neutralem Wasser abläuft. Die Forscher schütten Kobalt und Kalium-Phosphat ins Wasser, zwei reichlich vorhandene, preisgünstige Rohstoffe. Sobald Strom fließt, bildet sich an der Anode aus den Beigaben eine Schicht, die das Freisetzen von Sauerstoff beschleunigt.

Lob von den Kollegen

Wie genau das funktioniert, wissen die Chemiker noch nicht. Sie vermuten, Kobalt gibt immer wieder Elektronen ab, die die Sauerstoffatome brauchen, um sich zu befreien, und holt sie sich dann vom Wasserstoff zurück. Was danach mit dem Wasserstoff passiert, hat Nocera zunächst gar nicht interessiert; bei der Elektrolyse ist die Abspaltung des Sauerstoffs der erste und weitaus schwierigere Schritt.

Bisher funktioniert Noceras Prozess nur im Laborbecher; seine Kollegen loben die Erfindung aber in hohen Tönen. "Mit so wenig Spannung kommt kein anderes Verfahren aus", sagt Angelika Heinzel. Die Forscher aus Boston hatten nur knapp 1,3 Volt angelegt, in Großanlagen sind meist 1,6 bis 1,7 Volt nötig. Der niedrige Wert verspricht also einen sehr effizienten Prozess.

"Man muss sehen, wie das in technischen Größenordnungen funktioniert, aber bisher ist der Wert hervorragend", sagt Heinzel. "Verblüffend, wie einfach dieser Prozess ist", ergänzt Luis Echegoyen, Leiter der Chemieabteilung der amerikanischen National Science Foundation, die Nocera finanziell unterstützt hat.

Von dieser Organisation stammt auch ein Name, den eine zukünftige Gesellschaft den gewaltigen Anlagen geben könnte, wo Sonnenlicht Wasserstoff erzeugt: Wasser-Raffinerien. Genug Energie liefert die Sonne auf jeden Fall, um allen Bedarf zu decken: Dazu müssten aber pro Jahr mehr als 20 Billionen Liter Wasser gespalten werden, rechnet Nocera vor.

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