Wissenschaftler am St. John's College der University of Cambridge haben entwickelten ein neues Verfahren zur Umwandlung von Sonnenlicht in Kraftstoff.

Die „semi-künstliche Photosynthesemethode“ des Teams nutzt Sonnenlicht, um Wasser in einer Laborumgebung in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Ihr Prozess verwendet sowohl biologische Komponenten - ein Enzym aus Algen - als auch künstliche Technologien, die ihn von der vollständig künstlichen Photosynthese unterscheiden, bei der nur künstliche Elemente verwendet werden.

Das Forschungspapier ist in der Zeitschrift veröffentlicht Nature Energy.

Während der Photosynthese wird der natürliche Prozess, durch den Pflanzen Energie aus Sonnenlicht und Wasser gewinnen, das von Pflanzen absorbiert wird, in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Dieser Prozess wird Hydrolyse genannt. Der dabei entstehende Wasserstoff könnte potenziell als nachhaltige und unbegrenzte Energiequelle genutzt werden.

Leider ist die natürliche Photosynthese im Allgemeinen nicht effizient und produziert nur die geringe Menge an Energie, die ein Organismus zum Überleben benötigt.

„Die natürliche Photosynthese ist nicht effizient, da sie sich nur zum Überleben entwickelt hat, sodass nur ein Minimum an Energie benötigt wird - etwa 1-2 Prozent dessen, was sie möglicherweise umwandeln und speichern könnte“, so die Erstautorin Katarzyna Sokół, Doktorandin in St. John's College, sagte in einer Erklärung.

Die künstliche Photosynthese existiert seit Jahrzehnten, wurde jedoch durch die Verwendung von Katalysatoren erschwert, die typischerweise teuer und manchmal toxisch sind.

Die erste künstliche Photosynthesemethode wurde in den späten 1960 von Akira Fujishima entwickelt, der entdeckte, dass Titandioxid zur Beschleunigung der Hydrolyse verwendet werden kann. Die Idee wurde jahrzehntelang erforscht, eine großtechnische Methode wurde jedoch noch nicht entwickelt.

Das von Sokół und ihrem Team entwickelte Verfahren ist Teil einer wachsenden Bewegung, die sich mit der semi-künstlichen Photosynthese befasst, bei der mithilfe biologischer Elemente versucht wird, einige der Mängel von Methoden zu überwinden, die auf chemischen Katalysatoren beruhen.

Durch die Extraktion von Hydrogenase aus Algen, einem in der Natur reichlich vorkommenden Organismus - und damit auch einem Enzym - entwickelten die Forscher ein Verfahren, das theoretisch viel billiger sein könnte als viele existierende Methoden.

Dazu mussten sie die Wasserstoffproduktion in den Algen „reaktivieren“.

"Hydrogenase ist ein in Algen vorhandenes Enzym, das Protonen in Wasserstoff umwandeln kann", sagte Sokół in einer Erklärung. "Während der Evolution wurde dieser Prozess deaktiviert, weil es nicht überlebensnotwendig war, aber es gelang uns, die Inaktivität zu umgehen, um die gewünschte Reaktion zu erreichen - die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff."

Um dies zu erreichen, müssten sie die Wasserstoffproduktion in vitro "reaktivieren", wenn die Hydrogenase in andere Komponenten des semi-künstlichen Geräts integriert werde.

Letztendlich könnte das von ihnen entwickelte semi-künstliche Gerät die natürlichen Systeme übertreffen.

"Wir konnten sagen, dass unser System das Photosystem II direkt an die Hydrogenase umverdrahtete und so den in der Biologie unzugänglichen Photosyntheseweg umstrukturierte, um die gewünschte Reaktion der Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff mit hoher Selektivität zu erreichen Effizienz ", sagte Sokół.

Sokół erklärte jedoch, dass sich ihr Projekt immer noch im experimentellen Maßstab befinde und dass es noch einen langen Weg bis zur industriellen Anwendung gebe.

„Die Entwicklung dieses Modellsystems überwindet viele schwierige Herausforderungen, die mit der Montage der synthetisch-biologischen Grenzfläche durch einen multidisziplinären Ansatz verbunden sind, und bietet als Ergebnis die Werkzeugkiste für die Entwicklung zukünftiger halbkünstlicher Systeme zur Umwandlung und Speicherung von Sonnenenergie“, sagte sie sagte.

"Unser System ist ein Proof-of-Concept-Gerät, da es immer noch zu zerbrechlich ist, um als Großtechnologie eingesetzt zu werden."

Dennoch ist die neue Technologie ein großer Schritt in Richtung einer semi-künstlichen Photosynthese in großem Maßstab.

Sokół betonte, dass semi-künstliche Plattformen eine Reihe von Anwendungen haben könnten, die über die Gewinnung solarbetriebener Energie hinausgehen.

"Die semi-künstliche Plattform könnte es uns ermöglichen, Komponenten zu ersetzen und die Anwendung von der solaren Wasserspaltung auf die solare Kohlendioxid-Fixierung auszudehnen und fragile Enzyme in der zukünftigen Entwicklung durch robustere ganze photosynthetische Zellen zu ersetzen", sagte sie.

"Die Reduktion des Treibhausgases Kohlendioxid mit chemischen Methoden ist noch schwieriger als die Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff."