Von Marc-Denis Weitze, Projektkoordinator
Bis 2022 will Deutschland aus der Kernkraft aussteigen und das Energiesystem zum Teil auf erneuerbare Energien umstellen. Neben Windkraft und Biomasse wird die Sonnenenergie dafür entscheidend sein. Und die Ausgangslage ist gar nicht so schlecht: „Wissenschaftlich und technologisch nimmt Deutschland derzeit eine Spitzenstellung in der Solartechnologie – Fotovoltaik und Solarthermie – ein. Sowohl in Bezug auf die Energieerzeugung als auch den wirtschaftlichen Erfolg durch Export von Spitzentechnologie erscheint daher die Solartechnologie als ein prioritäres Handlungsfeld“, stellten die deutschen Wissenschaftsakademien bereits 2009 fest (Leopoldina / acatech / BBAW: Konzept für ein integriertes Energieforschungsprogramm für Deutschland, Halle / München / Berlin 2009, S. 27).
Die direkte Nutzung der Sonnenenergie liegt auf der Hand: Die Sonne spendet 15.000-mal mehr Energie als die gesamte Menschheit verbraucht. Dies sollte zur langfristigen Sicherung der Energieversorgung ohne weitere CO2-Emissionen beitragen können. So groß das Potenzial der Sonnenenergie ist, so groß sind bis heute aber die damit verbundenen wissenschaftlich-technischen Schwierigkeiten. Noch gilt Fotovoltaik als besonders teure regenerative Energie.
Helfen könnten neue Ansätze bei der Fotovoltaik und der künstlichen Fotosynthese, etwa biomimetische bzw. Kohlenstoff-basierte Verfahren. Bei der natürlichen Fotosynthese wandeln Pflanzen mit Hilfe von Sonnenlicht Kohlendioxid und Wasser in organische Verbindungen um. Die Umwandlung erfolgt in mehreren Schritten. Zuerst werden Lichtquanten absorbiert. Ihre Energie dient zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. In einer zweiten Lichtreaktion verwendet die Pflanze den Wasserstoff zur Synthese hochenergetischer organischer Moleküle (ATP). Deren Energie dient dann in einer komplexen enzymatischen Reaktion der Reduktion von CO2 zu Kohlenhydraten.
Ziel der Künstlichen Fotosynthese ist es, den Wirkungsgrad des natürlichen Systems langfristig zu erhöhen, etwa mittels Gentechnik oder Synthetischer Biologie. Ein Workshop der U.S. National Academies untersuchte bereits die molekularen Prozesse in biologischen Systemen, um zu prüfen, ob sie sich für die Energiesysteme der Zukunft anwenden lassen. Derart bio-inspirierte Energieforschung nutzt Bio- und Nanotechnologie, wobei Molekularbiologie und Mikrobiologie wesentliche Beiträge leisten (https://dels.nas.edu/global/bcst/bioinspired-energy).
Im Unterschied zu Gentechnik oder Nukleartechnik handelt es sich bei der Künstlichen Fotosynthese aber um ein noch nicht durch feste Meinungen „vorbelastetes“ Feld. Das kontroverse Potenzial dieser Technologie scheint auf den ersten Blick eher gering. Bestätigt wurde das auch von einem acatech-Projekt zur frühzeitigen Einbindung der Öffentlichkeit in diesem Feld. In Zukunft könnten jedoch durch den möglichen Einsatz von Gentechnik oder Schwermetall-Katalysatoren auch durchaus kontroverse umweltrelevante und ethische Fragen aufkommen. Die wissenschaftlichen Ausgangspunkte und technischen Realisierungsmöglichkeiten sind bislang aber nur in Ansätzen erkennbar.
Ziel des Akademienprojekts „Künstliche Fotosynthese: Forschungsstand, wissenschaftlich-technische Herausforderungen und Technikzukünfte“ ist daher, unterschiedliche Forschungsansätze frühzeitig sichtbar zu machen und den konkreten Forschungsbedarf in Deutschland aufzuzeigen. Spätestens 2050 sollte die die Künstliche Fotosynthese technisch nutzbar sein. Dieser Blog soll Einblicke in die Arbeitsweise und Ergebnisse dieses Projekts geben und zur Diskussion stellen.
Über den Autor:
Dr. Marc-Denis Weitze leitet den Themenschwerpunkt Technikkommunikation in der Geschäftsstelle von acatech und koordiniert das Akademienprojekt „Künstliche Fotosynthese: Forschungsstand, wissenschaftlich-technische Herausforderungen und Technikzukünfte“. Studium der Chemie und Philosophie in Konstanz und München, dort Promotion in Chemie. Tätigkeiten als Wissenschaftsjournalist und für das Deutsche Museum.
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