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Jena Wie bei der Fotosynthese: Sonnenenergie auch im Dunkeln speichern

15. Januar 2021, 10:34 Uhr

Ein Jenaer Forschungsteam ist einen Schritt weiter gekommen bei der effizienten Speicherung von Sonnenenergie. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen dafür ein Vorbild aus der Natur: die Fotosynthese der Pflanzen.

Die Experten vom Jenaer Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und von der Universität Jena entwickelten dafür ein chemisches System, das Lichtenergie sammelt und für mindestens 14 Stunden auf einem Molekül speichert. Damit macht es die photochemischen Prozesse unabhängig vom Tag-Nacht-Zyklus - und kann so auch im Dunkeln genutzt werden. Ein wichtige Voraussetzung für den Gebrauch in der industriellen Produktion, die kontinuierlich Energie benötigt. Die Studie dazu wurde im Fachmagazin Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

Energie nicht nur länger gespeichert, sondern auch regeneriert

Als Vorbild haben sich die Jenaer Wissenschaftler, die mit Kollegen der Universität Ulm, des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) und der Dublin City University zusammenarbeiten, die Fotosynthese genommen. Damit wandeln Pflanzen Kohlendioxid mit Hilfe von Sonnenlicht in chemische Verbindungen um - und zwar so, dass die Energie auch bei Dunkelheit zur Verfügung steht. Das konnte der Mensch mangels geeigneter Speichermöglichkeiten bisher nicht.

Messaufbau für die Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften, Bildrechte: Martin Schulz

Dieses Problem löst der molekulare Ansatz des Jenaer Forschungsteams um Martin Schulz. "Im Wesentlichen wandeln wir dabei Lichtenergie in chemische Energie um", erklärt Schulz gegenüber MDR Wissen. "Diese wird dann gespeichert und kann im Dunkeln über eine Reaktion wieder nutzbar gemacht werden". So kann die Energie nicht nur über insgesamt 14 Stunden bevorratet, sondern auch später noch regeneriert werden.

System sehr nachhaltig

Ein weiterer Vorteil der Jenaer Entwicklung ist die Nutzung eines sogenannten Kupferkomplexes als Molekül. "Das sorgt für bestimmte physikalische und photochemische Eigenschaften", erläutert Schulz. Dazu ist Kupfer gut verfügbar - im Gegensatz etwa zum extrem seltenen Element Ruthenium, das für bisherige Ansätze benötigt wurde.

Die Speicherfähigkeit ist nach Angaben der Forschenden ebenfalls sehr hoch: Auch nach vier Zyklen behält das System, das im Sonderforschungsbereichs "CataLight" entwickelt wurde, drei Viertel seiner Ladekapazität bei.

Anwendung bei Erzeugung von Methanol

Und wann sind die Ergebnisse praktisch anwendbar? "Wir machen Grundlagenforschung", betont Martin Schulz. Daher werde in den nächsten Jahren auch noch kein Gerät im Laden geben, das die neue Technologie nutzt.

Aber ein Beispiel hat er dann doch parat: Eine Reaktion, bei der Kohlendioxid reduziert wird - etwa zu Methanol. "Dann hätte man mit dem Methanol einen solaren Kraftstoff, der in einer Brennstoffzelle zu Strom umgewandelt werden könnte." Dazu schaffe man klimaneutral einen Ausgangsstoff für die chemische Industrie, die irgendwann unabhängig von Erdöl werden muss. Und das mit dem Vorbild aus der Natur - der Fotosynthese.

Künstliches Blatt aus Imenau

Eine ähnliche Technologie wird ebenfalls in Thüringen entwickelt. An der TU ILmenau arbeiten Prof. Thomas Hannappel und Prof. Thomas Bund an künstlichen Blättern.

Das künstliche Blatt braucht kein einziges Stromkabel. Mann muss es einfach ins Wasser legen, dann muss Licht drauf fallen, und schon erzeugt es Wasserstoff und Sauerstoff. Es ist also überall einsetzbar.

Prof. Thomas Hannappel, TU Ilmenau

Der so entstehende Wasserstoff kann dann als Antriebsenergie genutzt werden. Noch sind die Blätter allerdings Prototypen, die nur wenige Tage durchhalten, aber daran arbeiten die Wissenschaftler und auch an der Effizienz. Immerhin 19 Prozent der Sonnenenergie können derzeit in Wasserstoff umgesetzt werden, Tendenz steigend.

cdi