Robert Klatt
Ein neues Nanomaterial kann Sonnenlicht mit deutlich höherer Effizienz in nutzbare Energie umwandeln als die besten Solarzellen.
München (Deutschland). Herkömmliche Solarpaneele haben einen Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent. Unter Laborbedingungen konnte eine Tandemsolarzelle kürzlich den Effizienzrekord von 33,2 Prozent aufstellen, also etwas mehr als ein Drittel der einfallenden Energie in elektrischen Strom umwandeln. Forscher der Technischen Universität München (TU München) haben nun einen Stoff entwickelt, der die einfallenden Sonnenstrahlen mit einer Effizienz von 36 Prozent nutzt.
Laut Projektleiter Roland Fischer vom Lehrstuhl für Anorganische und Metallorganische Chemie haben die Wissenschaftler sich durch die Photosynthese, mit der Pflanzen aus Licht chemische Energie erzeugen, orientiert. Es entstand dabei das Nanomaterial „Nanozym“, das die Eigenschaften der für die Photosynthese verantwortlichen Enzyme nachbildet. Nanozym kann aus Kohlendioxid, Licht und Wasser Synthesegas produzieren. Dieses Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff ist in der Chemie ein essenzielles Zwischenprodukt für Grundstoffe wie Methanol und Ammoniak.
„Synthesegas wird momentan allerdings fast ausschließlich mithilfe fossiler Rohstoffe hergestellt.“
Wie Dr. Philip Stanley, der im Rahmen seiner Promotion an Nanozym gearbeitet hat, erklärt, sind die zwei Reaktionszentren das Innovative an dem System.
„Ein Molekül übernimmt die Aufgabe einer Energie-Antenne analog zu einem Chlorophyll-Molekül der Pflanzen. Dabei wird Licht aufgenommen und Elektronen zu einem Reaktionszentrum, dem Katalysator, weitergeleitet.“
Ein Reaktionszentrum wandelt Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid um und im anderen Reaktionszentrum wird aus Wasser Wasserstoff gewonnen. Die bedeutendste Schwierigkeit bei der Entwicklung dieses Systems bestand darin, die Antenne, den Elektronentransfermechanismus und die beiden Katalysatoren so zu arrangieren, dass eine maximale Lichtausbeute erzielt werden kann. Die Wissenschaftler mussten daher sowohl die Effizienz des Lichtsammelvorgangs berücksichtigen als auch die Stabilität und Funktionalität der beteiligten molekularen Strukturen sicherstellen, um ein leistungsfähiges und wirksames System zu konzipieren.
„Unsere Energieausbeute aus dem Licht ist mit 36 Prozent spektakulär hoch. Wir können bis zu jedes dritte Photon, also Lichtteilchen, in chemische Energie umsetzen. Bisherige Systeme waren hier höchstens im Bereich von jedem zehnten Teilchen. Dieses Ergebnis lässt hoffen, dass eine technische Umsetzung industrielle chemische Prozesse nachhaltiger machen könnte.“
In Zukunft soll das Nanomaterial als Basis dienen, um nachhaltige Verfahren für die Produktion von Synthesegas im industriellen Ausmaß zu entwickeln.