Künstliche Blätter bekämpfen den Klimawandel und werden zur Zukunft der Energie

Die Welt wurde für Primaten wie uns durch die Photosynthese von Blättern lebenswert, und heute arbeiten Wissenschaftler daran, eine künstliche Variante zu entwickeln, um viele unserer Probleme wieder zu lösen, schreibt Satyen K. Bordoloi.

Im Dinosaurierzeitalter war die Erde noch nicht bereit für den Menschen. Die Atmosphäre war reich an Kohlendioxid. Aber die Bäume und ihre Blätter waren riesig. Das bedeutete, dass sie Sonnenlicht nutzten, Kohlendioxid aufnahmen und Sauerstoff in einem Prozess freisetzten, den wir Photosynthese nannten. Der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre nahm zu – und ebnete zusammen mit anderen Faktoren wie der Abkühlung des Planeten und der Pflanzenvielfalt den Weg für die Entstehung von Primaten.

Die Welt wurde also durch Bäume und ihre Blätter für den Menschen lebenswert gemacht. Während die Welt eine neue Krise durchlebt – eine vom Menschen verursachte Klimakrise – kehren Wissenschaftler zu den Blättern zurück, um den Planeten für uns zu retten. Einziger Unterschied: Diesmal sind die Blätter künstlich hergestellt und haben einen Chip. Wissenschaftler auf der ganzen Welt setzen darauf, dass sie eine Vielzahl unserer aktuellen Probleme lösen werden, vom Klimawandel bis hin zur Herstellung sauberer, reichlich vorhandener Kraftstoffe. Obwohl dieser Bereich noch nicht aufgeholt hat, hat er das Potenzial, die Welt auf mehr Arten zu verändern, als wir uns heute vorstellen können.

Der Energiebedarf des Menschen ist in die Höhe geschossen. Dennoch können wir zu ihrer Herstellung nicht noch mehr fossile Brennstoffe verbrennen, da dadurch Treibhausgase freigesetzt werden. Wie Tschernobyl und Fukushima zeigen, birgt die Kernenergie ihre eigenen Gefahren. Die von der Photosynthese inspirierte künstliche Blatttechnologie ist eine der vielversprechendsten Technologien der letzten Jahrzehnte. Der Grund ist einfach: Anstatt die Umwelt zu verschmutzen, nimmt es umweltschädliches Kohlendioxid auf, setzt Sauerstoff frei und produziert gleichzeitig Treibstoff für unseren Bedarf. Wenn wir das also in großem Maßstab reproduzieren könnten, könnten wir nicht nur grüne Energie erzeugen, sondern auch die Welt entgiften.

Das Problem ist, dass die Photosynthese eine komplexe und schwierige chemische Reaktion ist. Obwohl es bei Pflanzen dank Millionen von Jahren der Evolution einfach aussieht, handelt es sich tatsächlich um eine komplexe Reihe von Prozessen, darunter das Einfangen von Sonnenlicht und die Aufspaltung von Wassermolekülen in Protonen, die sich mit atmosphärischem Kohlendioxid verbinden, um Energie für das Wachstum der Pflanze zu erzeugen. Trotz jahrmillionenlanger Praxis erreichen Anlagen bestenfalls einen Wirkungsgrad von 1 Prozent. Welche Chance hatten wir Menschen?

Es stellt sich viel heraus. Wissenschaftler erkannten, dass sie drei Wissenschaftszweige kombinieren könnten: Chemie, Biologie und IT, um eine Art bionische Version eines natürlichen Blattes zu erzeugen, das sie künstliches Blatt oder bionisches Blatt nennen.

Im Laufe der Jahrhunderte hat der Mensch beobachtet, wie Pflanzen ihre Blätter zur Sonne ausbreiten, um das Licht zu absorbieren, das die Erde erreicht. Wir träumen seit Ewigkeiten davon, ob auch wir etwas bauen könnten, das dies nachahmen könnte. Obwohl die Technologie noch nicht vorhanden war, als die Idee zum ersten Mal auf den Menschen kam, verfügen wir im digitalen Zeitalter jetzt über die Ressourcen dafür.

Der Begriff „Blatt“ ist eine Fehlbezeichnung und dennoch ein richtungweisender Hinweis. Eine falsche Bezeichnung, denn es handelt sich bei diesen Geräten um digitale Gadgets mit Chips und Elektroden. Leitendes Licht, weil sein Grundprinzip das gleiche ist wie das eines Blattes, nämlich der Photosynthese: Eine große Oberfläche ist der Sonne ausgesetzt, um ihre Energie aufzunehmen, in der Luft vorhandene Verbindungen aufzunehmen, um etwas anderes zu produzieren.

Sonnenkollektoren bestehen ebenfalls aus Chips und werden mit der Energie der Sonne betrieben. Kann man Sonnenkollektoren als künstliche Blätter bezeichnen? Nicht wirklich, denn obwohl das Prinzip ähnlich ist, ist es nicht dasselbe. Sonnenkollektoren nehmen einfach die Energie der Sonne auf und wandeln sie in elektrische Energie um, die wir für unsere Zwecke nutzen können. Wenn wir künstliche Blätter sagen, meinen wir eine weitere Ebene der Komplexität: die Fähigkeit, auch Gase und Verbindungen aus der Luft aufzunehmen – genau wie Blätter – und sie in etwas Nützliches für uns umzuwandeln.

Der erste wirkliche Durchbruch bei der Schaffung eines bionischen Blattes gelang 2011.

Im Jahr 2011 stellten Forscher am MIT unter der Leitung von Professor Daniel Nocera ein Gerät her, das wie Blätter die Energie der Sonne direkt in chemischen Treibstoff umwandeln konnte. Das Schöne an ihrem künstlichen Blatt war, dass für den Betrieb keine externen Kabel oder Bedienelemente erforderlich waren. Im Grunde handelte es sich um eine Silizium-Solarzelle, auf deren beiden Seiten verschiedene katalytische Materialien angebracht waren. Wenn es in Wasser gelegt und dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, würde das Wasser sprudeln. Dies waren auf der einen Seite Sauerstoffblasen und auf der anderen Wasserstoffblasen. In einem Behälter platziert, der eine Barriere zur Trennung der beiden Seiten bilden könnte, könnten die Blasen gesammelt und für verschiedene Zwecke verwendet werden, einschließlich der Energiegewinnung durch Einspeisung in eine Brennstoffzelle. Obwohl dieses Gerät in einer drahtlosen Konfiguration verwendet werden könnte, stieg seine Wasserspaltungseffizienz bei verkabelter Konfiguration von 2,5 % auf 4,7 %. Das diesbezügliche Papier kann hier gelesen werden.

Seitdem haben mehrere Teams auf der ganzen Welt intensiv an ähnlichen Konzepten gearbeitet und in den letzten Jahren konnten wir einige faszinierende Durchbrüche erzielen.

Letztes Jahr veröffentlichten Forscher der Universität Cambridge einen Artikel in Nature, in dem sie hervorhoben, wie sie „künstliche Blätter“ entwickelten, die auf dem Wasser schwimmen und mithilfe von Sonnenlicht und Wasser sauberen Kraftstoff erzeugen, ähnlich wie Blätter. Das ist aus vielen Gründen revolutionär. Erstens sind die Geräte ultradünn und flexibel, kostengünstig, autonom und leicht genug, um auf dem Wasser zu schwimmen. Tests haben gezeigt, dass sie Sonnenlicht fast genauso effizient in Treibstoff umwandeln wie echte Blätter. Dies ist ein Wendepunkt, denn wenn es auf kostengünstige Weise erweitert werden könnte, würden unsere Energieprobleme auf saubere und umweltfreundliche Weise gelöst. Nicht nur Flüsse und Meere, sondern auch verschmutzte Kanäle in städtischen Gebieten können mit der Energieerzeugung beginnen, da die Reinheit des Wassers für das Gerät keine Rolle spielt.

Auch dieses Jahr stellten Forscher der Universität Cambridge ein künstliches Blatt her, das Kohlendioxid in Propanol und Ethanol umwandeln kann. In dieser einzigartigen Arbeit wählte das Team einen photoelektrochemischen Ansatz, bei dem eine Zelle mit halbleitenden Photoelektroden Sonnenlicht absorbiert und Strom erzeugt, der eine katalysatorgesteuerte chemische Reaktion antreibt.

Dies sind revolutionäre Schritte, da es die ersten Schritte sind, die Menschen unternommen haben, um Sonnenlicht direkt zu nutzen, um in einem einzigen Schritt sauberen Kraftstoff aus Kohlendioxid herzustellen.

Die wichtigste Tatsache, die man bei künstlichen Blättern beachten sollte, ist, dass sie nicht wörtlich, sondern konzeptionell sind. Das bedeutet, dass die Idee von der Natur, der der Blätter, übernommen wird und wir versuchen, ihr Konzept so zu kopieren, dass es unseren Bedürfnissen entspricht. Dies ist von entscheidender Bedeutung, denn obwohl der Mensch der Umwelt Schaden zufügt, liegt die Lösung dafür auch in der Natur. Diese Idee muss zu immer besseren Technologien weiterentwickelt werden, wenn wir die Klimakatastrophe, die wir selbst verursacht haben, überleben wollen.

Aber auch darüber hinaus beweist der Erfolg dieser Experimente eine weitere grundlegende Wahrheit: Eine Sache kann mit dem richtigen Wissen, den richtigen Werkzeugen und Bausteinen in fast alles andere umgewandelt werden. Die Natur zeigt das seit über 4 Milliarden Jahren. Es liegt nun an ihren erstaunlichsten und zugleich rücksichtslosesten Kindern – den Menschen –, von ihr zu lernen, ihre größten Hits wie Blätter nachzubilden und – ironischerweise – den Planeten vor dem Schaden zu retten, den wir ihm zugefügt haben.

Es geht nicht anders. Wir müssen – wie das Klischee sagt – „die Scheiße aus diesem Schlamassel herausholen“. Künstliche Blätter könnten ein wesentlicher Faktor dafür sein.