Die Entwicklung der künstlichen Photosynthese hat in den letzten Jahren an Fahrt gewonnen. Ein Team von Chemikern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg hat bedeutende Fortschritte erzielt, die es ermöglichen könnten, Sonnenenergie effizienter zu nutzen. Diese Technologie hat das Potenzial, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen und Wasserstoff zu produzieren, ein wichtiger Schritt in Richtung nachhaltiger Energiegewinnung. Uni Würzburg berichtet, dass diese Forscher unter der Leitung von Professor Frank Würthner einen der ersten Schritte der natürlichen Photosynthese mit künstlichen Farbstoffen nachgeahmt haben.
Die natürliche Photosynthese ist ein komplexer Prozess, der in pflanzlichen Zellen stattfindet. Dabei werden Kohlendioxid und Wasser in Zuckermoleküle sowie Sauerstoff umgewandelt, indem Sonnenlicht als Energiequelle genutzt wird. Das Würzburger Forschungsteam hat in Zusammenarbeit mit Professor Dongho Kim von der Yonsei-Universität in Seoul Fortschritte gemacht, die in einer Publikation im renommierten Journal Nature Chemistry am 14. März 2025 veröffentlicht wurden.
Innovative Farbstoffstrukturen
Die Forscher synthetisierten einen speziellen Stapel aus Farbstoffen, der dazu in der Lage ist, Lichtenergie zu absorbieren und die Ladungsträger effektiv zu trennen. Diese spezielle Struktur besteht aus vier aufeinander gestapelten Perylenbisimid-Molekülen. Das Team konnte nachweisen, dass der Ladungstransport innerhalb dieser Struktur gezielt durch Licht angestoßen werden kann, was zu einem effizienten Verlauf der Reaktionen führt.
Ein wichtiges Ziel der Würzburger Chemiker ist es, das Nanosystem weiter zu vergrößern, um supramolekulare Drähte zu schaffen. Diese neuartigen photofunktionalen Materialien könnten die Entwicklung der künstlichen Photosynthese vorantreiben und somit einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende leisten.
Forschungsansätze an anderen Universitäten
Aber nicht nur in Würzburg wird an dieser Technologie gearbeitet. Auch an der Technischen Universität Ilmenau entwickeln Forscher unter der Leitung von Thomas Hannappel innovative Ansätze zur künstlichen Photosynthese. Ihr renommierter Prototyp, der als „künstliches Blatt“ bezeichnet wird, hat die Fähigkeit, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. MDR berichtet von einer Solarzelle, die wie ein Photovoltaikmodul funktioniert, dabei jedoch höhere Spannungen für die Wasserspaltung erzeugt.
Aktuell erreichen die Wissenschaftler in Ilmenau einen Wirkungsgrad von 19,3 Prozent, was einen Rekord darstellt. Weltweit wird der Wirkungsgrad von herkömmlichen PV-Zellen mit 46 Prozent angegeben. Die Forschungsprojekte befinden sich auf einer Technologie-Readiness-Skala zwischen der dritten und vierten Stufe. Obwohl noch viele Herausforderungen zu meistern sind, könnte eine industrielle Anwendung in den nächsten zehn bis fünfzehn Jahren realistisch werden.
Zusätzlich haben Michael Richter und Tobias Erb vom Fraunhofer Institut und Max-Planck-Institut eine synthetische Photosynthese entwickelt, die Kohlendioxid mit einem Wirkungsgrad von 92 Prozent spaltet. In diesem Prozess spielen Katalysatoren eine zentrale Rolle, die mit Strom regeneriert werden können. Die Forscher sind optimistisch, was den Zeitrahmen angeht, und schätzen, dass in fünf bis zehn Jahren eine kleine Demonstrationsanlage in Betrieb genommen werden könnte.
Die vielfältigen Ansätze und Fortschritte in der Forschung zur künstlichen Photosynthese könnten nicht nur zur Reduzierung von Treibhausgasen beitragen, sondern auch langfristige nachhaltige Lösungen für die Energiegewinnung bieten.