Forschende ahmen Fotosynthese nach

Bei der Fotosynthese entstehen aus den Ausgangsstoffen Kohlendioxid und Wasser in den Zellen von Pflanzen Zuckermoleküle und Sauerstoff. Die Energie, die sie für diesen komplexen Vorgang brauchen, ziehen sie aus dem Sonnenlicht.

Könnte der Mensch die Fotosynthese nachmachen, hätte das viele Vorteile. Mit der Gratis-Energie der Sonne ließe sich Kohlendioxid (CO₂) aus der Atmosphäre entfernen und für den Aufbau von Kohlenhydraten und anderen nützlichen Substanzen einsetzen. Möglich wäre auch die Produktion von Wasserstoff, denn bei der Fotosynthese wird Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff gespalten.

Komplexer Prozess

Kein Wunder also, dass viele Forschende an der künstlichen Fotosynthese arbeiten. Einfach ist das nicht, denn die Fotosynthese ist äußerst komplex: Sie läuft in den Zellen der Pflanzen in vielen Einzelschritten und unter der Beteiligung zahlreicher Farbstoffe, Proteine und anderer Moleküle ab.

Doch der Wissenschaft gelingen immer wieder neue Fortschritte. Zu den führenden Forschern auf dem Gebiet der künstlichen Fotosynthese gehört der Chemiker Prof. Frank Würthner von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Sein Team hat es jetzt geschafft, einen der ersten Schritte der natürlichen Fotosynthese mit einer ausgeklügelten Anordnung künstlicher Farbstoffe nachzuahmen und genauer zu analysieren.

Was den Forschern gelungen ist: Sie haben einen Stapel aus Farbstoffen synthetisiert, der dem Fotosynthese-Apparat in Pflanzenzellen sehr nahekommt. Er absorbiert an einem Ende Lichtenergie, nutzt sie zur Trennung von Ladungsträgern und leitet diese schrittweise ans andere Ende weiter.

„Wir können den Ladungstransport in dieser Struktur mit Licht gezielt anstoßen und haben ihn genau analysiert. Er läuft effizient und schnell ab. Das ist ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung einer künstlichen Photosynthese“, sagt Doktorand Leander Ernst, der die gestapelte Struktur synthetisiert hat.

Ziel: Supramolekulare Drähte

Als Nächstes will das JMU-Forschungsteam das Nanosystem aus gestapelten Farbstoff-Molekülen von den aktuellen vier auf mehr Bestandteile vergrößern. Das Ziel: Eine Art supramolekularen Draht zu schaffen, der Lichtenergie aufnimmt und sie schnell und effizient auch über größere Strecken hinweg transportiert. Das wäre ein weiterer Schritt hin zu neuartigen fotofunktionalen Materialien, die sich für die künstliche Fotosynthese nutzen lassen.

Förderung

Das bayerische Wissenschaftsministerium hat die Arbeiten im Rahmen des Forschungsnetzwerks „Solar Technologies go Hybrid“ (SolTech) gefördert.

Die Ergebnisse entstanden in Kooperation mit der Gruppe von Professor Dongho Kim an der Yonsei-Universität in Seoul (Korea). Veröffentlicht sind sie im Journal Nature Chemistry. Die Arbeiten an der Yonsei Universität in Seoul wurden von der National Research Foundation of Korea (NRF) finanziert.