Von der Natur abgeschaut: Forscher haben eine Solarzelle entwickelt, deren Herzstück aus zwei Pflanzenproteinen besteht. Sie entnahmen Blaualgen ihre lichtverarbeitenden Photosysteme und kombinierten diese mit speziellen Gelen, um so Strom aus Licht erzeugen zu können. Noch ist die Ausbeute eher gering, aber das Prinzip könnte als Blaupause für effektivere Solarzellen und auch die biologische Wasserspaltung dienen.
Für Pflanzen ist das kein Problem: Ihre Photosysteme sind von Natur aus dazu ausgelegt, die Energie des Sonnenlichts effektiv zu nutzen. Sie wandeln mit ihrer Hilfe Kohlendioxid in längerkettige Verbindungen um und produzieren so Biomasse. Warum also nicht diese praktische Erfindung der Natur auch für die menschliche Energiegewinnung nutzen – das dachten sich Wolfgang Schuhmann und Matthias Rögner von der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Sie und ihre Teams haben nun eine Methode entwickelt, bei der die Photosysteme von Blaualgen als Grundbaustein für eine Art biologischer Solarzelle fungieren.
Photosystem von Blaualgen als Herz der Bio-Solarzelle
Die Forscher isolierten dazu zunächst die beiden Photosysteme aus hitzeliebenden Cyanobakterien, die in einer heißen Quelle in Japan leben. Aufgrund dieser Lebensweise sind die Photosysteme wesentlich stabiler als die von Arten, die nicht unter so extremen Umweltbedingungen vorkommen. Dann entwickelten Schuhmann und seine Kollegen komplexe, Elektronen leitende Materialien, sogenannte Redoxhydrogele. In diese betteten die Forscher die Photosysteme ein, um sie mit den Elektroden der Photovoltaikzellen zu verbinden.
Die auf diese Weise erstellte Bio-Solarzelle besteht aus zwei Kammern. Wird die erste Kammer mit Licht bestrahlt, entzieht das dort enthaltene Photosystem 2 Wassermolekülen Elektronen, wobei Sauerstoff entsteht. Die Elektronen wandern dann durch das Redoxhydrogel zu einer Elektrode, die mit der Elektrode der zweiten Kammer verbunden ist. Die Elektrode der zweiten Kammer leitet die Elektronen über ein anderes Redoxhydrogel auf das Photosystem 1. Dort werden die Elektronen auf Sauerstoff übertragen, es entsteht wieder Wasser. Das erscheint auf den ersten Blick wie ein einmal im Kreis drehen.
Potenzialdifferenz der Gele sorgt für Strom
Doch der Trick liegt in der Beschaffenheit der Redoxhydrogele: Die Bochumer Forscher nutzten nicht zwei gleiche Gele, sondern solche mit unterschiedlichen Potenzialen. Dadurch entsteht eine Potenzialdifferenz zwischen den beiden Kammern, über die Strom erzeugt wird. Die Potenzialdifferenz bestimmt die Spannung und somit die Leistung der Biophotovoltaikzelle. Aktuell erreicht die Bio-Solarzelle allerdings nur Leistungen von einigen Nanowatt pro Quadratzentimeter – nicht gerade viel.
Aber wie die Forscher betonen, sollte es ja auch zunächst nur demonstrieren, dass das Prinzip überhaupt funktioniert. Jetzt kann es soweit optimiert werden, dass die Stromausbeute steigt.
„Das System soll als Blaupause für die Entwicklung halbkünstlicher und natürlicher Zellsysteme dienen“, sagt Rögner. Mit ihnen könnte dann mit Hilfe des Lichts nicht nur Strom, sondern auch Wasserstoff produziert werden. (Angewandte Chemie, 2013; doi: 10.1002/ange.201303671)
(Ruhr-Universität Bochum, 21.11.2013 – NPO)
