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05.05.2022 | Sonnenenergie | Im Fokus | Online-Artikel

Elektrotrophen können künstliche Photosynthese erzeugen

verfasst von: Frank Urbansky

2:30 Min. Lesedauer
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Die energiewandelnden Prozesse der Natur nachzuahmen ist naheliegend – und in Zeiten der Energiewende schlichtweg eine Notwendigkeit. Die künstliche Photosynthese, etwa mit Mikroorganismen, wäre eine Möglichkeit.

Eine der Herausforderungen der Energiewende ist es, die vielen guten Forschungsansätze in die Praxis zu überführen und im industriellen Maßstab nutzbar zu machen. "So kann Technikentwicklung der Künstlichen Photosynthese nicht allein im Labor laufen, sondern muss an gesellschaftliche Herausforderungen gekoppelt sein (hier v. a. an den Ersatz fossiler Rohstoffe)", beschreiben die Springer-Autoren Holger Dau, Philipp Kurz und Marc-Denis Weitze in ihrem Buchkapitel Künstliche Photosynthese gemeinsam gestalten auf Seite 154 ein konkretes Beispiel.

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Die künstliche Photosynthese ist schon seit vielen Jahren im Fokus der Wissenschaft. Forscher des California Institute of Technology (CalTech) in Berkeley haben eine neue Methode zur Umwandlung von Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht in organische Verbindungen geschaffen. Dabei kommen sogenannte Elektrotrophen zum Einsatz, also Mikroorganismen, die unter Stromzufuhr bestimmte chemische Bausteine herstellen.

Erprobtes Verfahren

In dem Verfahren, das 2015 erstmals erprobt und immer weiter verfeinert wurde, fangen Halbleiter Sonnenenergie ein und leiten sie zu den Mikroben, die sich in den Drähten befinden. Damit hätten die Forscher nach eigenen Angaben die erste direkte Schnittstelle zwischen Bakterien und Halbleitermaterial für eine künstliche Photosynthese geschaffen, die auch unter Sauerstoff funktioniert, da die Mikroorganismen von Nanodrähten geschützt werden. Normalerweise vertragen bisher für ähnliche Verfahren genutzte Mikroorganismen Sauerstoff nicht, was wiederum eine großtechnische Nutzung erschwert.

Für Kunststoffherstellung bedeutend

Auf diese Weise kann man direkt Butanol herstellen. Dieses Polymer kommt bei der Herstellung von Plastik zum Einsatz und ist biologisch abbaubar. Derzeit ist der Prozess noch nicht wirtschaftlich. Neue Halbleitermaterialien könnten aber die Kosten senken. Zudem müssten die Bakterien für eine industrielle Nutzung auch noch länger leben. Deswegen richten die Forscher ihr Augenmerk auf die Entwicklung eines synthetischen Katalysators, der die Bakterien ersetzen könnte.

Eine Lösung mit Bakterien hingegen könnten Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) gefunden haben. Sie entwickelten einen 3D-Druck lebender Mikroorganismen in kontrollierten Mustern. Dazu werden die Bakterien in einem lichtempfindlichen Harz eingeschlossen und ausgehärtet. Das wiederum überwindet die Schwachstellen des bisherigen Verfahrens – da die Verbindung zwischen Elektroden wie den Drähten und den Bakterien nur wenig effizient ist.

Gelingt dies, könnte die Photosynthese mittels Bakterien ein weiterer Baustein für die Energiewende sein. "Photobioreaktoren (PBR) werden zur Kultivierung von phototrophen Organismen genutzt. Hierzu zählen formal sowohl Pflanzen, Moose, Makro- und Mikroalgen als auch Cyano- und Purpurbakterien. Sie betreiben Photosynthese und bauen auf diesem Wege aus Licht und Kohlendioxid eigene Biomasse auf", beschreiben die Springer-Spektrum-Autoren Ann Jastram, Fanny Langschwager und Udo Kragl in ihrem Buchkapitel Reaktoren für spezielle technisch-chemische Prozesse: Biochemische Reaktoren auf Seite 981 dieses Verfahren und dazu mögliche natürliche Katalysatoren.

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