Durch die Kraft der Sonne

Das Leben auf der Erde wäre ohne unsere Sonne nicht möglich. Sie dient Bakterien, die sich bereits vor mehr als drei Milliarden Jahren entwickelt hatten – lange bevor es Pflanzen gab –, Algen und Pflanzen dazu, Energie zu gewinnen, umzuwandeln und für ihren „Stoffwechsel“ zu nutzen. Im Laufe der Evolution haben sie dafür die Photosynthese entwickelt. Ohne diese wäre unsere Atmosphäre für uns nicht atembar, gäbe es wahrscheinlich auch keine Nahrungsquellen für Menschen wie Tiere.

Bei der sogenannten oxygenen Photosynthese benötigen Cyanobakterien (sogenannte Blaugrünbakterien, andere Bakterien haben diese Fähigkeit nicht), Algen und Pflanzen lediglich lichtabsorbierende Farbstoffe (meist Chlorophyll), Wasser und Kohlendioxid. In einem biochemischen Prozess wird das Wasser aufgespalten, wird Sauerstoff freigesetzt, komplexe Kohlenhydrate werden aus energieärmeren anorganischen Stoffen aufgebaut. Sie werden von Algen wie Pflanzen sowohl als Energieträger als auch als „Baustoff“ genutzt. So kann zum Beispiel aus einem Sämling über die Jahre ein prächtiger hoher Baum werden. Verbrennt das Holz oder verrottet die Grünmasse, wird das CO2 allerdings wieder freigesetzt – ein zyklischer (offener) Prozess. Im Laufe vieler Millionen Jahre hat sich die durch Photosynthese produzierte Biomasse der Pflanzen zudem als Kohle(schichten), Erdöl und Erdgas abgelagert. Bei deren Nutzung zur Energiegewinnung wird gleichfalls CO2 frei. Aber nicht nur die Vorräte an diesen „fossilen“ Energieträgern gehen zu Ende, ihre Nutzung hat zudem seit Beginn der Industrialisierung und besonders seit dem 20. Jahrhundert wesentlich zum Klimawandel beigetragen. Noch eine Ergänzung: Es gibt zudem die anoxygene, also bakterielle Photosynthese unter anaeroben Bedingungen, das heißt ohne Sauerstoff, in der auch kein molekularer Sauerstoff (O2) entsteht.

Aber was, wenn man den Prozess der Photosynthese oder Teile davon künftig technologisch und zudem als geschlossenen Kreislauf nutzen könnte?

Die Geschichte einer Entdeckung

Rund 250 Jahre muss man zurückgehen, um auf erste Forschungsansätze zu stoßen, die später zur Entdeckung der Photosynthese führten. So wurde Joseph Priestley, ein US-amerikanischer Theologe, Philosoph, Chemiker und Physiker zwar erst berühmt, nachdem er 1774 ein besonderes Gas, Sauerstoff, in einer Zeitschrift beschrieben hatte. Doch zuvor hatte er Versuche durchgeführt, die die Geschichte der Erforschung der Photosynthese begründeten. Bei Versuchen zur Reinigung (durch Verbrennungsvorgänge) „verdorbener“ Luft durch Pflanzen beobachtete und beschrieb er zum ersten Mal 1772 die Wirkung der Photosynthese. Er setzte eine Maus, die nach einiger Zeit starb, unter eine luftdicht abgeschlossene Glasglocke. Priestley schlussfolgerte, die Luft sei durch die Maus verdorben. Die nächste Maus starb noch schneller, als er zunächst eine Kerze unter dieser Glasglocke brennen ließ und dann die Maus unter die Glocke setzte. Zudem erlosch die Kerze schneller. Priestley folgerte, die Kerze habe durch ihre Verbrennung die Luft verdorben. Offenbar benötigten Maus und Kerze den gleichen Bestandteil der Luft. Dann setzte er eine Topfpflanze gemeinsam mit der Maus unter die Glocke. Die Maus überlebte. Auch die brennende Kerze erlosch nicht sofort, wenn sie zusammen mit der Topfpflanze unter der Glasglocke stand. Priestley folgerte daraus, dass Pflanzen in der Lage seien, „verdorbene“ Luft zu reinigen. Die Pflanze hatte der Luft offensichtlich wieder den Bestandteil zurückgegeben, der ihr zunächst durch Kerze und Maus entnommen worden war. Er stellte auch fest, dass die Pflanzen dabei ein Gas („gute Luft“) abgeben.

Damit hatte der Forscher zum ersten Mal die Wirkung der oxygenen Photosynthese beschrieben.

Antoine Laurent de Lavoisier, Biologe und Chemiker, erkannte einige Jahre später, dass der entscheidende Anteil der „verbrauchten“ Luft das CO2 ist, in der „guten“ Luft das O2. Jan Ingenhousz, ein niederländischer Arzt und Botaniker, beobachtete, dass Pflanzen in Dunkelheit CO2 abgeben, dieses abhängig von der Intensität unter Lichteinwirkung aufnehmen und Sauerstoff abgeben. Weiter wies er nach, dass der Kohlenstoff, den Pflanzen zum Wachstum benötigen, nicht – wie bis dahin angenommen – dem Boden entzogen wird, sondern aus der umgebenden Luft stammt. Er hatte damit entdeckt, dass Licht für das Wachstum und Luftreinigung (von „tierischem Atem“) von Pflanzen notwendig ist. Damit begann die Erforschung der Photosynthese. Jean Senebier, ein Pfarrer und Naturforscher aus der Schweiz, erkannte 1783, dass grüne Pflanzen CO2 aufnehmen. Nicola de Saussure wies 1804 nach, dass die Pflanzen das CO2 in ihrer Substanz einbauen (Substanzvergrößerung) und dabei Wasser benötigt wird. 1845 erkannte Robert von Mayer, der Entdecker des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik, Arzt und physiologisch forschender Mediziner, dass bei der Photosynthese Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird, indem energiearme Stoffe (CO2, H2O) in energiereiche Stoffe (Kohlenhydrate) umgewandelt werden und in der Pflanze gespeichert werden.

Mitte des 19. Jahrhunderts konnte damit die Nettoreaktions-Gleichung der Photosynthese grüner Pflanzen formuliert werden: Kohlendioxid wird in Gegenwart von Wasser und Licht in Kohlehydrate („Biomasse“) und Sauerstoff umgewandelt („assimiliert“), das heißt:

CO2 + H2O —-> C(H2O) + O2

Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts blieben die Erkenntnisse über die Photosynthese trotz dieser und weiterer Entdeckungen jedoch unvollständig. 1905 erkannte Frederick Blackmann dann als erster, dass die Photosynthese aus zwei unabhängigen Reaktionsschritten besteht: aus der Lichtreaktion (photochemische Reaktion), die lichtabhängig, aber temperaturunabhängig ist, und eine Dunkelreaktion (normale chemische Reaktion), die lichtunabhängig, aber temperaturabhängig ist. Die Struktur des Chlorophyllmoleküls klärte Hans Fischer auf, der dafür 1930 den Nobelpreis erhielt. 1940 wurde dann nachgewiesen, dass der bei der Photosynthese abgegebene Sauerstoff aus dem H2O stammt.

Die künstliche Photosynthese

1912 hielt der italienische Chemiker Giacomo Ciamician eine Vorlesung, in der er auf die zivilisatorischen Vorzüge der direkten Solarenergienutzung durch künstliche Photosynthese gegenüber der Verbrennung von Kohle verwies. Er beschrieb seine Vision einer photochemischen Industrie der Zukunft: „Und vielleicht geht es ja auch ohne Pflanzen, indem man nach dem Vorbild der Biologie photochemische Prozesse nutzt, die Sonnenenergie einzufangen. (…) Mit geeigneten Katalysatoren sollte es möglich sein, Wasser und CO2 in Sauerstoff und Methan umzuwandeln.“
Obgleich die Forschungen auf dem Gebiet fortgesetzt wurden, dauerte es 60 Jahre, bis seine Überlegungen aufgegriffen wurden:

Die japanischen Forscher Akira Fujishima und Kenichi Honda beschrieben 1972, mit welchen technischen Mitteln man ihres Erachtens Sonnenlicht nutzen könnte, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu zerlegen. Von anderen wurde bereits an Katalysatoren zur Wasserspaltung, zur Reduktion von CO2, zur Umwandlung von Kohlendioxid zu Methanol und zur Umwandlung von CO2 aus der Luft in Kohlenwasserstoffe mit elektrochemischen Methoden gearbeitet.

Künstliche Photosynthese und Klimawandel

Noch sind nicht alle Details der Vorgänge entschlüsselt, bei denen und durch die in Pflanzen aus Licht, Wasser und Kohlendioxid Sauerstoff und Glucose produziert wird. Immer wieder aber wird über neue Forschungsergebnisse berichtet. Schon jetzt zeichnet sich ab, dass die künstliche Photosynthese unter anderem entscheidende Beiträge zur Energiegewinnung und zur Minderung des CO2 in der Atmosphäre leisten könnte.

Natürlich würde – neben vielen anderen Maßnahmen – zur Lösung unserer gegenwärtigen Situation, also dem ständig wachsenden Eintrag von CO2 in die Atmosphäre durch menschliche Aktivitäten mit entsprechenden Auswirkungen auf das Klima, auch beitragen, Bäume in großem Maßstab neu zu pflanzen und vor allem das Wachstum artenreicher Wälder zu fördern. Das Holz könnte dann – und dafür gibt es bereits „moderne“ Lösungen – vor allem für den Bau langlebiger Holzkonstruktionen und Gebäude genutzt werden. „Eine andere Lösung besteht darin, mehr Mikroalgen zu züchten und daraus Biokraftstoffe oder Futtermittel herzustellen. Ein verbessertes Bodenmanagement kann helfen, den Kohlenstoffgehalt des Bodens zu erhöhen, was gleichzeitig auch den Ertrag steigern kann. Biokohle, die durch die Verkohlung von Pflanzenmaterial hergestellt wird, kann ebenfalls in den Boden.“

Was aber wäre, wenn wir Menschen die Prozesse der Photosynthese modellieren und industriell nutzen könnten? Dazu müsste man den Wirkungsgrad erhöhen, denn die Prozesse, die in der Natur ablaufen, haben interessanterweise einen recht geringen Wirkungsgrad. Aber auch der Wirkungsgrad und die Lebensdauer der derzeit in der Forschung genutzten „Hilfsmittel“ (Katalysatoren usw.) sind kurz beziehungsweise gering. Offenbar gibt es aber inzwischen Durchbrüche. In einer Veröffentlichung der Wissenschaftsakademie Leopoldina aus dem Jahr 2018 hieß es im Zusammenhang mit dem Ziel der Forschungen zur künstlichen Photosynthese: „Die künstliche Photosynthese dient der Produktion chemischer Energieträger und Wertstoffe unter Verwendung von Sonnenlicht als einziger Energiequelle in integrierten Apparaten und Anlagen. Die besondere Stärke des Ansatzes liegt dabei in der Bereitstellung von erneuerbarer Energie in stofflich gespeicherter sowie lager- und transportierbarer Form.“

So wird in einem oxygenen Prozess zum Beispiel neben anderen „Rohstoffen“ auch Wasserstoff freigesetzt (und zuvor der Atmosphäre CO2 entzogen). Wasserstoff als alternative Energiequelle könnte damit beispielsweise auch ohne den heutigen „Umweg“ – und unter großen Energieverlusten – über die Nutzung anderer alternativer Energiequellen produziert werden beziehungsweise „augenblicklich“ zu Biokraftstoffen oder gar zu beliebigen Verbindungen aus CO2 weiterverarbeitet werden.

Die künstliche Photosynthese könnte aber im Kampf gegen den Klimawandel und die Erderwärmung auch in anderer Hinsicht wichtig werden: Man könnte nämlich Module entwickeln, die der Atmosphäre Kohlendioxid in großen Mengen entziehen und kaum Wasser brauchen. Anlagen könnten in Gebieten mit nur geringen Wasserreserven wie in Wüsten entstehen. Das CO2 müsste dann natürlich langfristig gebunden werden (sogenannter „geschlossener“ Prozess, in der Natur ist der Prozess „offen“). Und es gibt noch ein Problem: Für solche Anlage würde man, so einige Quellen, unter anderem sehr große Flächen benötigen und vor allem – noch? – wäre ein Betrieb außerordentlich teuer.

Doch obgleich weltweit – fach- und auch international übergreifend – zur künstlichen Photosynthese, zu Aspekten und Nutzanwendungen geforscht wird: industriell umsetzbare Resultate wird es trotz aller Anstrengungen offenbar erst in Jahren geben, weitaus schneller aber beispielsweise könnte es wahrscheinlich zu Lösungen für eine bessere Nutzung der heutigen Sonnenenergiegewinnung durch den Einsatz sogenannter Farbstoffsolarzellen („Grätzelzellen“) kommen, auch die Erhöhung des Wirkungsgrades und der „Lebenszeit“ eingesetzter Materialien und Komponenten wird möglich. Aber auch neuartige Materialien entstehen: So zum Beispiel „Gewebe“ aus Mikroalgen, die mit Hilfe eines 3D-Druckers auf Zellulose aufgetragen werden, das dank der Algen aktiv Photosynthese betreiben kann. Das lebende Zellulose-Algen-Gewebe erwies sich als robust und lange überlebensfähig und könnte als Energielieferant, Medizinprodukt und Biotextil eingesetzt werden.

Versucht wird auch, durch Nutzung anderer physikalischer und chemischer Prozesse die Photosynthese zu modellieren.

Der Traum von der künstlichen Photosynthese wird kein Traum bleiben.

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Begriffserklärungen:

Anaerobe Bedingungen – Fehlen von molekularem Sauerstoff – z. B. in Boden- oder Gewässerbereichen wie im Faulschlamm oder in tieferen Schichten von Gewässern, die eine hohe Belastung an organischem (abbaubarem) Material aufweisen und in denen vorübergehend oder dauerhaft der Wasseraustausch zwischen tieferen und Oberflächenschichten fehlt (z. B. Ostsee, Schwarzes Meer), so dass die Aufnahme von Sauerstoff aus den Oberflächenschichten in tieferen Schichten verhindert wird.

Nettoreaktionsgleichung – hier mit der Gleichung CO2 + H2O —-> C(H2O) + O2 stark vereinfacht. Die Erkenntnis im 19. Jahrhundert war lediglich, dass aus Kohlendioxid und Wasser unter dem Einfluss von Licht energiereiche organische Stoffe (dafür steht C(H2O)) entstehen und Sauerstoff freigesetzt wird.

Lichtreaktion (photochemische Reaktion) – Mit der „Nettogleichung“ wird der Gesamtprozess beschrieben. Die Lichtreaktion ist jener (lichtabhängige, aber temperatur-unabhängige) Teil der Photosynthese, in welchem die Energie der Sonne in Form eines universellen chemischen Energieträgers (Adenosintriphosphat) gespeichert und für den pflanzlichen Organismus zugänglich wird.

Dunkelreaktion (normale chemische Reaktion) – derjenige – lichtunabhängige, aber temperaturabhängige – Teil der Photosynthese, in dem Kohlenstoffdioxid fixiert und Kohlenhydrate aufgebaut werden. 

Photochemie – chemische Reaktionen unter dem Einfluss von Licht: Licht liefert die Energie, um die chemische Reaktion anzutreiben. 

Katalysator – Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.