Künstliche Photosynthese

Energie ist nicht alles, aber ohne Energie läuft gar nichts. Hierbei hat jedoch die Energieversorgung der heutigen technisierten Gesellschaften tief-dunkle Wurzeln. Sie beruht auf der Ausbeutung unterirdischer Lager von Kohle, Erdöl und Erdgas. Das erste Kapitel beschreibt die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und die daraus resultierenden globalen Probleme: i) internationale Sicherheit und ökonomischer Stabilität, ii) Gesundheitsschäden, iii) leidvolle und kostspielige „Umweltunfälle“ und iv) Klimawandel. Des Weiteren führt das erste Kapitel in das Energiespeicherproblem ein. Die Speicherung von Wind- und Solarstrom in Batterien ist durch deren geringe Energiespeicherdichte eingeschränkt. Durch Informationen zur problematischen Nutzung fossiler Brennstoffe und dem Energiespeicherproblem motiviert das erste Kapitel die Entwicklung von Alternativen.

„Wer Visionen hat, sollte zum Arzt gehen“ sagte Ex-Bundeskanzler Helmut Schmidt. Ohne Visionen jedoch bewegt sich nichts. Daher wagt sich das zweite Kapitel an die Visionen einer Energieversorgung jenseits fossiler Brennstoffe. Es schließt die literarischen Visionen von Jules Verne bis hin zu Ian McEwan zur Künstlichen Photosynthese ein. Bei den wissenschaftlichen-technischen Visionen wird der Bogen von den historischen Dachgartenversuchen des italienischen Photochemikers Giacomo Ciamician bis hin zu den nordafrikanischen Solarenergiefeldern im Desertec-Projekt gespannt. Das zweite Kapitel zeigt, dass die Idee der Künstlichen Photosynthese neben der aktuellen Forschung noch weitere Wurzeln hat. Diese historischen, literarischen und visionär-planerischen Visionen sind erste Bausteine eines Narrativ, das die Entwicklung der Künstlichen Photosynthese begleiten und unterstützen kann und in dem Argumente für oder gegen spezifische Technologien und Anwendungen sichtbar werden. Gleichzeitig warnt Kap. 2 aber auch vor überzogenen Versprechungen und „Hyping“.

„Wasser, Luft und Licht als Rohstoff“ – das ist das Grundprinzip sowohl der biologischen als auch der Künstlichen Photosynthese. Auf eine naturgeschichtliche Einführung in die Entwicklung der Photosynthese folgt im dritten Kapitel eine Beschreibung der chemischen Schlüsselprozesse. Hieraus leiten sich die Grundprinzipien der Künstlichen Photosynthese ab. Es folgt ein Überblick über die Komplexität des biologischen Systems und ein Glanzlicht der aktuellen Forschung zur biologischen Solarenergienutzung. Neben die Beschreibung der faszinierenden biologischen Organismen tritt eine Diskussion ihrer „Defizite“ – aus einer anthropozentrischen nutzungsorientierten Perspektive. Hierzu wird die für technische Systeme wichtige Größe der Effizienz („solar energy conversion efficiency“) eingeführt und diskutiert.

Kann die Natur verbessert werden? Die Antwort lautet: Ja – wenn es um die Produktivität von Organismen im Wirtschaften der Menschen geht. Gezüchtete Kühe geben mehr Milch, gezüchtetes Getreide bringt reichere Ernten. Gentechnisch modifizierte Bakterien können heute Medikamente wie Insulin kostengünstig und in großen Mengen produzieren. Freilich waren und sind mit solchen Anwendungen große gesellschaftliche Kontroversen verbunden. Dennoch liegt der Gedanke nahe, gentechnisch modifizierte photosynthetische Algen oder Cyanobakterien zu nutzen, um Brenn- und Wertstoffe in wirtschaftlich relevanten Mengen produzieren. Kap. 4 deutet die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen und potenziellen Probleme der modifizierten biologischen Photosynthese von Mikroorganismen an, die in Photobioreaktoren Licht nutzen.

Wie gelingt ein nachhaltiger Energiestoff-Kreislauf? Zur Beantwortung dieser Frage wird der Blick auf den großen Zusammenhang von vier Milliarden Jahren Erdgeschichte gerichtet. Der globale Kohlenstoff-Sauerstoff-Kreislauf hat im Holozän, dem Erdzeitalter der letzten 10.000 Jahre, eine außerordentliche Stabilität der Atmosphäre ermöglicht, gerät aber durch massive Nutzung fossiler Brennstoffe aus der Balance. Ein paralleler, nicht-biologischer Kreislaufs durch Künstliche Photosynthese soll diese Balance wiederherstellen. Anschließend fasst Kap. 5 zusammen, welche „Defizite“ der biologischen Photosynthese vermieden werden müssen, damit eine attraktive Künstliche Photosynthese gelingen kann. In Analogie zur Entwicklung vom Vogelflug zum Flugzeug wird eine „lockere Biomimetik“ vorgeschlagen. Es folgen „Fünf Wege zu nicht-fossilen Brennstoffen“, zusammen mit einer kurzen Einschätzung der jeweiligen Stärken und Schwächen bzw. offenen Fragen.

Wie genau gelingt nun diese Künstliche Photosynthese durch lockere Biomimetik? Kap. 6 gibt dazu Antworten. Die Kunst der Katalyse steht im Mittelpunkt: Reaktionen werden derart beschleunigt, dass sie nicht in Millionen Jahren sondern in Tausendstel Sekunden ablaufen. Die Natur beherrscht diese Kunst perfekt. Kompliziert aufgebaute und hochgradig spezialisierte Enzyme können diese Aufgaben passgenau wahrnehmen. In der Forschung zur Künstlichen Photosynthese wählen die WissenschaftlerInnen technisch umsetzbare Wege. Hier schlägt die Stunde von Chemie, Physik und Materialforschung. Wie auch in Kap. 3 zur biologischen Photosynthese können Leser mit spezifischen Interesse an naturwissenschaftlichen Fragen das Kap. 6 mit besonderem Gewinn lesen.

Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile. Während in Kap. 6 die Teilprozesse der Künstlichen Photosynthese Thema waren, geht es in der aktuellen Forschung und Entwicklung um erste Schritte zu Größerem, d. h. zu Modulen, Geräten und Anlagen der Künstlichen Photosynthese. Jetzt kommen die Ingenieure ins Spiel. Die Möglichkeiten reichen von photokatalytischen Nanopartikeln, die wie Algen im Wasser herumschwimmen, über sogenannte Künstliche Blätter bis hin zu großen Anlagen, in denen Bakterienkulturen Solarstrom für die Synthese nutzen. Zum Abschluss die Frage „Wo soll das alles hinführen?“ Sowohl visionäre „KPh-Module“ als auch die mögliche Rolle die Künstlichen Photosynthese im Energiesystem der Zukunft werden vorgestellt.

Global denken, lokal kommunizieren. Bei der Künstlichen Photosynthese geht es nicht alleine um Moleküle, Photokatalyse und weitere naturwissenschaftlich-technische Themen, sondern auch um ethische und gesellschaftliche Fragen. Kap. 8 beschreibt, wie man ohne Formeln und technische Details mit interessierten gesellschaftlichen Gruppen hierzu in Dialog treten kann. Science Cafés und Comics können Ansatzpunkte sein, verschiedene Perspektiven zu dem Thema sichtbar zu machen, und können das Anliegen unterstützen, Technik gemeinsam zu gestalten. Im Kontext globaler Klimaveränderungen haben wir es auch mit großen Themen wie globalen Zukunftsperspektiven und Generationengerechtigkeit zu tun. Kap. 8 zeigt, dass auch Gerechtigkeitsfragen ein wichtiges Dialogthema sind, insbesondere wenn es um die Verteilung von Belastungen (Kosten) bei dem Ausstieg aus den fossilen Brennstoffen geht.

„Es gibt nichts Gutes, außer: Man tut es.“ Das Epigramm von Erich Kästner spricht eine Herausforderung an, die in den vorhergehenden Kapiteln nur gestreift wurde. Es ist die Frage, ob und wie und wann die Künstliche Photosynthese den Schritt von der Vision zu einem Pfeiler der Energiewende schaffen kann. Unter der Überschrift „Was tun?“ zeigen sechs Thesen Schritte zur Realisierung der Künstlichen Photosynthese als ein neuer Pfad in der Energiewende hin zum nachhaltigen Energiesystem der Zukunft. Die Thesen lehnen sich an Empfehlungen der deutschen Wissenschaftsakademien zur Künstliche Photosynthese an [2] und beziehen sich auf langfristige Strategien, bei deren Gestaltung letztendlich der Dialog zwischen Wissenschaft, Öffentlichkeit, Politik und Wirtschaft entscheidend sein wird.