Nicht nur die meisten Menschen – auch Pflanzen müssen sich vor zu starker Sonnenstrahlung schützen. Ihr Photosynthese-Reaktionszentrum arbeitet so effizient, dass jedes „Zuviel“ an Sonne das System zum Durchbrennen bringen würde. Wie sich Pflanzen davor schützen, hat jetzt ein Forscherteam herausgefunden. Wie sie in der Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS) berichten, könnten die raffinierten Mechanismen unter anderem für Photovoltaik-Systeme nutzbar gemacht werden.
Im so genannten Reaktionszentrum der Pflanze schafft die Natur Erstaunliches: Jedes vom grünen Pflanzenfarbstoiff Chlorophyll eingefangene Lichtquant oder Photon wird zu fast 100 Prozent für eine elektrische Ladungstrennung eingesetzt. Diese elektrische Energie wird dann verwendet, um alle weiteren biologischen Prozesse anzutreiben. Wegen der hohen Effizienz braucht das System nur wenig Licht. In der Natur kann allerdings die Sonneneinstrahlung innerhalb von Sekunden tausend Mal stärker werden, wenn etwa Wolken aufbrechen oder ein Schattenspender verschwindet. Entsprechend müsste im Reaktionszentrum dann tausendmal mehr Energie umgesetzt werden.
Sicherheitsschalter für die grüne Energiefabrik
„Das ist, als wenn ein Automotor plötzlich statt dreitausend drei Millionen Umdrehungen leisten müsste. Kein Apparat hält das unbeschadet aus“, erläutert Professor Peter Jomo Walla vom Institut für Theoretische und Physikalische Chemie der Technischen Universität Braunschweig. Er hat mit seinen Kollegen untersucht, wie Pflanzen es in so einer Situation schaffen, schnell und effektiv umzuschalten. Sie müssen schnell die überschüssige Energie loswerden um ihr Photosystem vor dem Durchbrennen zu bewahren. Wie dies im Detail geschieht, war über Jahrzehnte unbekannt und Gegenstand intensiver Forschung.
Laserblick ins Innere der lebenden Pflanze
„Erst seit der Erfindung der Ultrakurzzeitlaser ist es möglich, diese extrem schnellen und dabei elementaren Schritte überhaupt zu beobachten“, erläutert Walla. Seine Arbeitsgruppe verfügt über mehrere Ultrakurzzeitlaser, die Lichtblitze von nur wenigen Femtosekunden Dauer erzeugen, um mit ihnen dann die ultraschnellen Prozesse in der Photosynthese abtasten zu können. Durch eine spezielle Modifikation der Ultrakurzzeitlaser gelang es den Forschern, in lebenden Pflanzen während dieser Regulation direkt nachzuweisen, wie das Umschalten genau funktioniert.
Ultraschnelle Reaktion leitet Energie als Wärme ab
Sobald die Sonne ein Blatt zu stark bestrahlt, verbindet sich das grüne Chlorophyll sekundenschnell mit orangefarbenen Karotinoid- Blattpigmenten, allerdings nicht chemisch sondern elektronisch. Durch quantenmechanische „Tricks“ verhalten sich die beiden Moleküle dann zusammen wie ein einzelnes
Molekül. Jedes Molekül erhält nun etwas von den Eigenschaften des anderen Moleküls.
Während der grüne Farbstoff die Lichtenergie normalerweise kurzfristig elektronisch speichert, erzeugen Karotinoid-Moleküle daraus sehr schnell Wärme. Durch das „Mischen“ dieser Karotinoideigenschaft mit dem Chlorophyll wird die überschüssige Energie daher sofort gefahrlos in Wärme umgewandelt. Bei sinkender Lichtintensität geben die beiden Moleküle ihre Liaison sofort wieder auf, und die Chlorophyllmoleküle versorgen das Reaktionszentrum wie üblich mit Energie.
Diese Prozesse finden in unvorstellbar kurzer Zeit statt, nämlich innerhalb weniger Femtosekunden – Billionstel von millionstel Sekunden. Zum Vergleich: Nichts ist schneller als Licht, und trotzdem braucht es schon über 100 Femtosekunden, um nur die Strecke zurückzulegen, die dem Durchmesser eines
menschlichen Haares entspricht.
Nutzen für Photovoltaik und Pflanzenzüchtung
„Wir erhalten damit Erkenntnisse, die zum Beispiel für die Züchtung von Nutzpflanzen wichtig sein können, die auch unter extremen Klimabedingungen wie in Ländern der Dritten Welt ertragreich sind,“ so Walla. „Ein mittelfristiges Ziel unserer Forschung ist die Entwicklung künstlicher Fotosynthese- und
neuartiger Fotovoltaik-Systeme zum Beispiel mit speziellen Nanopartikeln. Diese verhalten sich ähnlich wie die Chlorophylle oder Karotinoide, sind aber dafür wesentlich stabiler.“
Erste Modellsysteme, deren Effizienz ähnlich wie in der Natur von der Schnelligkeit der Energieumwandlungsprozesse abhängt, werden bereits an der TU Braunschweig entwickelt und mit den Ultrakurzzeitlasern untersucht.
(Technische Universität Braunschweig, 20.08.2009 – NPO)
