Künstliche Blätter ziehen CO2 aus der Luft

Bereit für den Außeneinsatz: Künstliche Photosynthese-Systeme, die Kohlendioxid aufnehmen und in Brennstoff umwandeln, funktionierten bisher nur im Labor. Nun haben Forscher jedoch eine Methode entwickelt, die solche künstlichen Blätter auch draußen nutzbar macht. Dank einer speziellen Membran können die Systeme das CO2 direkt aus der Luft ziehen. Die optimierten Blätter könnten künftig zum Beispiel im Kampf gegen den Klimawandel helfen, wie das Team berichtet.

Die Photosynthese ist ein geniales Patent der Natur: Bei diesem hochkomplexen Prozess wandeln Pflanzen mithilfe der Sonnenenergie Wasser und Kohlendioxid in Kohlenhydrate um. Was diese Organismen seit Jahrmillionen wie selbstverständlich praktizieren, versuchen Forscher inzwischen nachzuahmen: Sie arbeiten an der Entwicklung von „künstlichen Blättern“ – menschengemachten Systemen zur Photosynthese.

Ließe sich der Luft Kohlendioxid entziehen und in Brennstoffe umwandeln, stünde nicht nur eine neue Methode zur Energiegewinnung zur Verfügung. Auch dem fortschreitenden Klimawandel könnte auf diese Weise entgegengewirkt werden. Bisher hapert es allerdings noch an der Umsetzung solcher Ideen.

Membran als Ionenaustauscher

„Selbst die neuesten künstlichen Blätter funktionieren nur im Labor – denn sie nutzen reines Kohlendioxid aus Druckbehältern. Um die Systeme erfolgreich in der realen Welt zu implementieren, müssten sie jedoch in der Lage sein, CO2 aus Stoffgemischen wie Luft oder Rauchgas zu ziehen“, sagt Meenesh Singh von der University of Illinois in Chicago. Dazu fehlen ihnen jedoch Komponenten wie die Spaltöffnungen natürlicher Blätter, die den Gasaustausch der Pflanze mit der Umgebungsluft regulieren.

Singh und seine Kollegen haben nun aber einen Ansatz entwickelt, mit dem auch künstliche Blätter Gas aus der Luft für ihre Photosynthese-Reaktionen nutzen können. Dafür schließen sie das System in eine transparente Kapsel ein, die mit Wasser gefüllt ist. Der Clou: Die Kapsel besteht aus einer semipermeablen Membran aus quartärem Ammoniumharz, die als Ionenaustauscher fungiert.

Wasser raus, Kohlendioxid rein

Über diese Membran kann vom Sonnenlicht erwärmtes Wasser nach draußen verdunsten. Passiert es die Membran, wird im Gegenzug CO2 aus der Luft selektiv nach drinnen transportiert. „Indem wir die traditionelle Künstliche-Photosynthese-Technologie mit dieser speziellen Membran umhüllen, kann das ganze System draußen in der Natur funktionieren – wie ein echtes Blatt“, sagt Singh.

Die Photosynthese-Einheit in der Kapsel besteht aus einem Lichtabsorber und Katalysatoren, die das eingezogene Kohlendioxid schließlich in Kohlenmonoxid umwandeln – ein Stoff, der als Basis für die Produktion synthetischer Treibstoffe dienen kann. Außerdem entsteht bei dem Prozess Sauerstoff. Dieser kann entweder ebenfalls gesammelt oder einfach in die Umgebung freigesetzt werden, wie die Forscher berichten.

Effizienter als das Vorbild

Den Kalkulationen des Teams zufolge ist ihr optimiertes Blatt mindestens zehnmal effizienter als das natürliche Vorbild, wenn es darum geht, Kohlendioxid in Brennstoff umzuwandeln. 360 solcher Blätter – jedes von ihnen 1,7 Meter lang und 0,2 Meter breit – könnten demnach knapp eine halbe Tonne Kohlenmonoxid pro Tag produzieren. Aufgestellt auf einer Fläche von 500 Quadratmetern würden sie die CO2-Konzentration in der umgebenden Luft dabei binnen eines Tages um rund zehn Prozent senken.

„Unser Design nutzt bereits verfügbare Materialien und Technologien, die in Kombination ein künstliches Blatt ergeben, das in Zukunft eine signifikante Rolle bei der Reduzierung von Treibhausgasen in der Atmosphäre spielen könnte“, schließt Singh. (ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2019; doi: 10.1021/acssuschemeng.8b04969)

Quelle: University of Illinois at Chicago