Gewinnung von sauberem Kraftstoff aus dem Sonnenlicht
Die Sicherstellung einer ausreichenden Energieversorgung zur Deckung der menschlichen Bedürfnisse ist eine der größten Herausforderungen, vor denen die Gesellschaft je gestanden hat. Bisher zuverlässige Quellen - Öl, Gas und Kohle - verschlechtern die Luftqualität, zerstören Land und Meer und verändern das empfindliche Gleichgewicht des Weltklimas durch die Freisetzung von CO2 und anderen Treibhausgasen. Unterdessen wird die schnell industrialisierende Bevölkerung der Erde bis 2050 voraussichtlich 10 Milliarden erreichen. Saubere Alternativen sind eine dringende Notwendigkeit.
Bild der in der neuen Studie beschriebenen experimentellen photoelektrosynthetischen Zelle. Solche Technologien kombinieren lichtempfindliche Halbleiter und katalytische Materialien, die zu chemischen Reaktionen fähig sind, die sauberen Kraftstoff erzeugen.
Biodesign Institute at Arizona State University
Die Forscher des ASU Biodesign Center for Applied Structural Discovery erforschen neue Technologien, die den Weg zu sauberer, nachhaltiger Energie ebnen könnten, um die enorme globale Nachfrage zu decken.
In neuen Forschungen, die im Journal of the American Chemical Society (JACS) erscheinen, beschreibt der Hauptautor Brian Wadsworth zusammen mit den Kollegen Anna Beiler, Diana Khusnutdinova, Edgar Reyes Cruz und dem korrespondierenden Autor Gary Moore Technologien, die lichtempfindliche Halbleiter und katalytische Materialien kombinieren, die zu chemischen Reaktionen fähig sind, die sauberen Kraftstoff erzeugen.
Die neue Studie untersucht das subtile Zusammenspiel der primären Komponenten solcher Geräte und skizziert einen theoretischen Rahmen für das Verständnis der zugrunde liegenden kraftstoffbildenden Reaktionen. Die Ergebnisse deuten auf Strategien zur Verbesserung der Effizienz und Leistung solcher Hybridtechnologien hin, die sie der kommerziellen Lebensfähigkeit einen Schritt näher bringen.
Die Erzeugung von Wasserstoff und reduzierten Formen von Kohlenstoff durch diese Technologien könnte eines Tages die fossilen Energieträger für ein breites Spektrum von kohlenstoffreduzierten Rohstoffen, einschließlich Brennstoffen, Kunststoffen und Baustoffen, ersetzen.
"In dieser speziellen Arbeit haben wir Systeme entwickelt, die Lichterfassungs- und Umwandlungstechnologien mit chemiebasierten Energiespeicherstrategien integrieren", sagt Moore, der Assistant Professor an der ASU School of Molecular Sciences ist. Anstatt direkt Strom aus Sonnenlicht zu erzeugen, nutzt diese neue Technologie die Sonnenenergie, um chemische Reaktionen anzutreiben, die in der Lage sind, Kraftstoffe zu produzieren, die die Sonnenenergie in chemischen Verbindungen speichern. "Hier wird die Katalyse extrem wichtig. Es ist die Chemie, mit der sowohl die Selektivität der Reaktionen als auch der Gesamtenergiebedarf für die Steuerung dieser Transformationen gesteuert werden", sagt Moore.
Etwas Neues unter der Sonne
Eine der attraktivsten Quellen für eine nachhaltige, klimaneutrale Energieerzeugung ist sowohl alt als auch reichlich vorhanden: das Sonnenlicht. Tatsächlich hat die Einführung von Solarenergietechnologien in den letzten Jahren erheblich an Dynamik gewonnen.
Photovoltaik (PV)-Geräte oder Solarzellen sammeln Sonnenlicht und wandeln die Energie direkt in Strom um. Verbesserte Materialien und niedrigere Kosten haben die Photovoltaik zu einer attraktiven Energieoption gemacht, insbesondere in sonnenreichen Staaten wie Arizona, wo große Solaranlagen über mehrere Hektar verteilt sind, die Tausende von Häusern mit Strom versorgen können.
"Aber der Zugang zu Solarstrom durch Photovoltaik reicht nicht aus", sagt Moore. Viele erneuerbare Energien wie Sonnenlicht und Windkraft sind nicht immer verfügbar, so dass die Speicherung intermittierender Quellen ein Schlüsselbestandteil jeder Zukunftstechnologie ist, um den globalen Energiebedarf des Menschen in großem Maßstab zu decken.
Wie Moore erklärt, kann das Ausleihen einer Seite aus dem Handbuch der Natur den Forschern helfen, die Strahlungsenergie der Sonne zur Erzeugung nachhaltiger Kraftstoffe zu nutzen. "Eines ist klar", sagt Moore. "Wir gehen davon aus, dass wir auf absehbare Zeit weiterhin Kraftstoffe als Teil unserer Energieinfrastruktur einsetzen werden, insbesondere für Anwendungen im Land- und Luftverkehr. Hier wird der bioinspirierte Teil unserer Forschung besonders relevant - die Natur sucht nach Hinweisen, wie wir neue Technologien zur Herstellung von Kraftstoffen entwickeln können, die kohlenstofffrei oder neutral sind."
Sonniges Flair
Einer der beeindruckendsten Tricks der Natur ist die Nutzung von Sonnenlicht zur Herstellung energieintensiver Chemikalien, ein Prozess, der vor Milliarden von Jahren von Pflanzen und anderen photosynthetischen Organismen beherrscht wurde. "In diesem Prozess wird Licht absorbiert, und die Energie wird verwendet, um eine Reihe komplexer biochemischer Transformationen voranzutreiben, die letztendlich die Lebensmittel produzieren, die wir essen, und über lange geologische Zeiträume die Kraftstoffe, die unsere moderne Gesellschaft leiten", sagt Moore.
In der aktuellen Studie analysierte die Gruppe Schlüsselvariablen, die die Effizienz chemischer Reaktionen zur Kraftstoffherstellung durch verschiedene künstliche Geräte steuern. "In diesem Beitrag haben wir ein kinetisches Modell entwickelt, um das Zusammenspiel zwischen Lichtabsorption an der Halbleiteroberfläche, Ladungsmigration innerhalb des Halbleiters, Ladungsübertragung auf unsere Katalysatorschicht und dann den chemischen Katalyseschritt zu beschreiben", sagt Wadsworth.
Das von der Gruppe entwickelte Modell basiert auf einem ähnlichen Rahmen für das Verhalten von Enzymen, der sogenannten Michaelis-Menten-Kinetik, der die Beziehung zwischen enzymatischen Reaktionsraten und dem Medium, in dem die Reaktion stattfindet (oder dem Substrat), beschreibt. Hier wird dieses Modell auf technologische Geräte angewendet, die lichtempfindliche Halbleiter und katalytische Materialien zur Kraftstoffbildung kombinieren.
"Wir beschreiben die kraftstoffbildenden Aktivitäten dieser Hybridmaterialien als Funktion der Lichtintensität und auch des Potenzials", sagt Wadsworth. (Ähnliche kinetische Modelle vom Typ Michaelis-Menten haben sich bei der Analyse von Phänomenen wie Antigen-Antikörper-Bindung, DNA-DNA-Hybridisierung und Protein-Protein-Interaktion als nützlich erwiesen.)
Bei der Modellierung der Dynamik des Systems machte die Gruppe eine überraschende Entdeckung. "In diesem speziellen System sind wir nicht darauf beschränkt, wie schnell der Katalysator die chemische Reaktion antreiben kann", sagt Moore. "Wir sind begrenzt durch die Fähigkeit, Elektronen an diesen Katalysator zu liefern und ihn zu aktivieren. Das hängt mit der Lichtintensität zusammen, die auf die Oberfläche trifft. Brian, Anna, Diana und Edgar haben in ihren Experimenten gezeigt, dass eine Erhöhung der Lichtintensität die Rate der Kraftstoffbildung erhöht."
Die Entdeckung hat Auswirkungen auf das zukünftige Design solcher Geräte mit dem Ziel, ihre Effizienz zu maximieren. "Einfach mehr Katalysator auf die Oberfläche des Hybridmaterials zu geben, führt nicht zu höheren Raten der Kraftstoffproduktion. Wir müssen die lichtabsorbierenden Eigenschaften des Unterfangungshalbleiters berücksichtigen, was uns wiederum dazu zwingt, mehr über die Auswahl des Katalysators nachzudenken und darüber, wie sich der Katalysator mit der lichtabsorbierenden Komponente verbindet."
Strahl der Hoffnung
Es bleibt noch viel zu tun, bis solche Solar-to-Fuel-Lösungen zur Prime Time fertig sind. Um solche Technologien für den Menschen nutzbar zu machen, bedarf es Effizienz, Erschwinglichkeit und Stabilität. "Biologische Baugruppen haben die Fähigkeit zur Selbstreparatur und Reproduktion; technologische Baugruppen wurden in diesem Aspekt begrenzt. Es ist ein Bereich, in dem wir mehr von der Biologie lernen können", sagt Moore.
Die Aufgabe könnte kaum dringender sein. Der weltweite Energiebedarf wird voraussichtlich von heute rund 17 Terawatt auf über 30 Terawatt bis Mitte des Jahrhunderts ansteigen. Neben erheblichen wissenschaftlichen und technologischen Hürden betont Moore, dass auch tiefgreifende politische Veränderungen unerlässlich sein werden. "Es stellt sich die Frage, wie wir unseren zukünftigen Energiebedarf decken wollen. Wenn wir es auf umweltbewusste und egalitäre Weise tun wollen, bedarf es einer ernsthaften politischen Verpflichtung."
Die neue Forschung ist ein Schritt auf dem langen Weg in eine nachhaltige Zukunft. Die Gruppe stellt fest, dass ihre Ergebnisse wichtig sind, da sie wahrscheinlich für eine Vielzahl von chemischen Transformationen mit lichtabsorbierenden Materialien und Katalysatoren relevant sind. "Die Grundprinzipien, insbesondere das Zusammenspiel von Beleuchtungsstärke, Lichtabsorption und Katalyse, sollten auch für andere Materialien gelten", sagt Moore.
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