»Very Important Paper«
Energieertrag halbkünstlicher Photosynthese schlägt Natur-Photosynthese
Chemikern und Physikern der Ruhr-Universität Bochum ist es erstmals gelungen, in semiartifiziellen Solarkollektoren photosynthetische Membranproteine zu integrieren. Deren Elektronentransfer übertrifft die Rate der natürlichen Photosynthese um eine Größenordnung.
Das Journal »Chemistry« wählte den Beitrag der Forscher um Dr. Nicolas Plumeré, Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann und Prof. Dr. Matthias Rögner zum »Very Important Paper«. Die erfolgreiche Integration von Membranproteinkomplexen der Photosynthese in halbkünstliche Sonnenkollektoren rückt die regenerative Energiegewinnung durch Photosynthese erstmals in den Bereich des Möglichen.
Das Sonnenlicht absorbiert in natürlichen Blättern der Membranproteinkomplex Photosystem 1 (PS1), mit dessen Energie aus Kohlendioxid Biomasse hergestellt wird. Meist aus Silizium-Halbleitern bestehende Sonnenkollektoren sammeln Licht zur Elektrizitätsgewinnung. In greifbare Nähe rückt jetzt der Ersatz von Silizium durch Membranproteinkomplexe der Photosynthese.
Die Arbeitsgruppe von Prof. Rögner isoliert sehr stabile Photosynthesekomplexe aus thermophilen Cyanobakterien, die in einer heißen Quelle in Japan leben. Der Einbau dieser natürlichen Komponenten in ein künstliches System war jedoch eine große Herausforderung: Die Photosynthesekomplexe bestehen sowohl aus hydrophoben als auch aus hydrophilen Bereichen, welche ihre Handhabung und Fixierung auf Elektroden deutlich erschweren.
Die Teams von Dr. Nicolas Plumeré and Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann entwickeln komplexe leitfähige Materialien, die auf äußere Reize reagieren. In diese so genannten Redox-Hydrogele betten die Forscher den Photosynthesekomplex PS1 ein. Durch die Wahl eines geeigneten Hydrogels konnten sie die Umgebung der natürlichen Proteine genau einstellen. Insbesondere lassen sich durch die Anpassung des pH-Werts die hydrophoben beziehungsweise hydrophilen Eigenschaften des Hydrogels kontrollieren und an die Bedürfnisse des Photosynthesekomplexes anpassen.
»Diese eigens angefertigte Umgebung bietet dem Proteinkomplex optimale Bedingungen – sogar besser als in natürlichen Blättern«, erklärt Dr. Nicolas Plumeré. Die Forscher ermittelten bei Messungen die höchsten jemals für halb-künstliche Photoelektroden gemessenen Elektronentransferraten, die sogar die der natürlichen Photosynthese um eine Größenordnung übertrafen.
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