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Cyanobakterien sind Bio-Solarzellen

Die Energiewende kommt beim Thema Stromspeicherung immer wieder schnell an ihre Grenzen. Der Lösungen werden viele diskutiert. Eine davon geht jetzt sehr ins Detail, indem sie sich auf die Größenordnung von Mikroorganismen reduziert. Es geht dabei um die Schaffenskraft winziger Cyanobakterien, die Wasserstoff mithilfe der Energie aus dem Sonnenlicht generieren können. Und Wasserstoff lässt sich bekanntlich speichern, wenngleich dies bei der kleinsten Atomgröße nicht unproblematisch ist.

Es geht hier also mal nicht vorrangig um die Erzeugung elektrischer Energie, die dann irgendwie bis zum Abruf zwischengespeichert werden muss, sondern dieser Schritt wird erst mal übersprungen, indem gleich das Medium Wasserstoff als effizienter Energieträger im Fokus steht. Die neue Art von Solarzellen, von denen hier berichtet wird, wandelt das Sonnenlicht also nicht in Strom, sondern in Wasserstoff um. Marc Nowaczyk vom Biotechnikum der Ruhr-Universität Bochum erklärt dazu, dass die besonders robusten Cyanobakterien zu den ältesten Lebewesen auf unserem Planeten überhaupt gehören, denn ihre simple Lebensstrategie besteht darin, Licht zu ernten.

Enzyme machen aus Licht Elektronen

Bald erzeugt jeder selbst seinen StromIhre eigentliche Heimat war eine heiße Quelle in Japan. Heute werden die Bakterien massenhaft in dafür geeigneten Photobioreaktoren im Labor vermehrt. Es sind hohe, durchsichtige Röhren, die mit einer sprudelnden, grünen Brühe angefüllt sind. Diese unappetitliche Soße aus Nährlösung, Bakterien und Kohlendioxid wird zugleich von außen mit gleißendem Licht, das dem solaren Spektrum nachempfunden ist, angestrahlt. Dass es sich um Organismen handelt, die sich der Photosynthese bedienen, erkennt jeder unschwer an der Dominanz der intensiven grünen Farbe.

Die Bakterien verfügen über ein bestimmtes Enzym, das schnelle Elektronen freigibt, sobald die Lichtintensität dazu ausreicht. Es handelt sich um ein Riesenmolekül, das dabei einen deutlich höheren Wirkungsgrad entwickelt hat als all unsere bekannten Materialien der Photovoltaik. Es künstlich herzustellen ist aufgrund seiner Komplexität noch nicht möglich beziehungsweise nicht wirtschaftlich. Ihre hohe Effizienz macht die Enzyme zugleich lichtempfindlich, sodass die Laborarbeit mit ihnen unter grünem Licht stattfinden muss, das sie geflissentlich „übersehen“.

Wenn Windräder oder Solarzellen zu viel Strom produzieren, kann dieser für eine Elektrolyse verwendet werden, bei der schließlich an der Kathode Wasserstoffgas produziert wird, das gespeichert werden muss. Alles zusammen ist eine gewisse technische Herausforderung, die auch ihren Preis hat. Das biologische System lässt direkt Wasserstoff entstehen, der Verbrauch Seltener Erden ist dabei überhaupt kein Thema. Der Mitarbeiter an der Bochumer Universität Volker Hartmann erläutert weiter, dass dieses biologische Verfahren zurzeit noch nicht mit üblichen Solarpaneelen konkurrieren kann. Dennoch ist es der richtige Schritt in die richtige Richtung, weil hiermit absolute CO2-Neutralität gegeben ist, was so mit Blick auf die Herstellungsverfahren von Solarzellen nicht der Fall ist.

Protonen + Elektronen = Wasserstoff

Andere Wissenschaftler aus Cambridge beschäftigen sich mit einer weiteren Hydrogenase (Enzym), die ebenfalls aus Elektronen Wasserstoff herstellt. Die Kopplung beider Enzyme stellte sich als eine besonders gute Zusammenarbeit bei der Wasserstoffproduktion heraus. Was noch nicht befriedigend gelöst ist, das ist die Langzeitstabilität solcher biologischen Systeme. Daran muss zurzeit noch geforscht werden. Einen gangbaren Ansatz sehen die Wissenschaftler in gezielten Mutationen der Bakterienstämme.

Entscheidend ist immer der Markt

Die Lebensdauer der bislang funktionierenden biologischen Wasserstoffherstellung liegt leider erst bei einigen Stunden. Übliche Solarzellen werden dagegen bei aller Empfindlichkeit geradezu Greise. Es gibt also noch viel zu tun auf diesem Feld. Nowaczyk hält die gegenwärtigen Arbeiten lediglich für einen wichtigen Zwischenschritt. Langfristig setzt er eher auf biologische Systeme, die kohlenstoffbasierte, flüssige Energieträger aus längeren Ketten produzieren, weil diese viel einfacher in die bestehenden Infrastrukturen zu integrieren wären.

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