Künstliches Kraftwerk im Mikro-Maßstab

Pflanzen empfangen und speichern Lichtenergie sehr effektiv – auf eine Weise, die Forscher aus der Schweiz und Deutschland erstmals künstlich nachahmen konnten

Der Mensch, so stolz er auf seine selbst aus dem Weltall sichtbaren Bauwerke ist (oft handelt es sich dabei um Mauern), verwendet doch immer wieder erstaunlich ineffektive Grundprinzipien. Über 1000 Quadratkilometer Wasserfläche staut zum Beispiel der umstrittene Dreischluchtendamm auf, um daraus ganze 18 Gigawatt Leistung zu erzeugen. Energie, das ist das Grundprinzip, gewinnt man daraus, dass das Wasser zwischen Stausee und Abfluss so ungleich verteilt ist.

Ganz ähnlich, aber ungleich effektiver arbeiten biologische Systeme, etwa bei der und im Anschluss an die Photosynthese. Es geht auch dort darum, zunächst Energie einzufangen und mit diesen Mitteln etwas aufzustauen – nur eben in viel kleineren Dimensionen. Die Natur konzentriert etwa über einen passenden Prozess Ionen oder Protonen auf der einen Seite einer biologischen Membran – und wenn die derart gespeicherte Energie abgerufen werden soll, öffnet sie die Schleusen.

Die bisherigen Versuche, solche Systeme künstlich zu konstruieren, dokumentieren (doi: 10.1126/science.1130124) die zwei japanischen Autoren Kazushi Kinbara und Takuzo Aida von der University of Tokyo in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science.

Ihr Fazit: es gelingt zwar schon recht gut, Lichtenergie einzufangen; beim Öffnen der Schleusen geht aber viel mehr davon verloren, als es Pflanzen zulassen. Doch die Forscher publizieren ihre Übersicht natürlich nicht ganz ohne Anlass: im selben Heft stellt nämlich eine Forschergruppe der Universitäten Genf und Würzburg ihre eigenen, inzwischen erfolgreich umgesetzten Baupläne vor (doi: 10.1126/science.1126524).

Dem Team um Stefan Matile gelang es erstmals, mehr als nur einzelne Schritte dessen nachzuahmen, was für Pflanzen tägliche Routine ist. Zunächst speichern sie Lichtenergie auf geschickte Weise: ihre Molekül-Konstruktion transportiert bei der Anregung durch Licht freigesetzte Ladungsträger so schnell in einen Elektronenspeicher, dass diese keine Zeit zum Rekombinieren haben. Dort angekommen, sorgen die Elektronen für eine Anreicherung von Protonen. Nun folgt der Moment, die Schleusen zu öffnen: Die Wissenschaftler lassen ein spezielles Molekül an ihre Konstruktion andocken, das erstens die Photosynthese beendet und zweitens einen Abflusskanal für die Protonen öffnet.

Spannend an der Forschungsarbeit ist auch, dass die Wissenschaftler supramolekulare Systeme aufbauen und nutzen, die zumindest im Chemieunterricht heute noch nicht vorkommen. Dabei handelt es sich um Moleküle, die über eine relativ schwache Wechselwirkung (etwa die Wasserstoffbrückenbindung, die dafür sorgt, dass auf der Erde nicht nur Wasserdampf existiert, und die die DNS-Stränge verbindet) ein gemeinsames System mit durchaus neuen Eigenschaften bilden. Wählt man die beteiligten Moleküle richtig aus, vollzieht sich ein Selbstorganisations-Prozess, der Eingriffe des Bauherrn wie in China unnötig macht.

Allerdings gibt es bei der Erfindung aus Genf und Würzburg leider noch ein kleines Problem: der Kanal, durch den das gestaute Medium fließt, lässt sich bisher noch nicht wieder schließen. Wenn alle Protonen abgeflossen sind, wird der Speicher nicht mehr aufgefüllt. Zumindest sind die Auswirkungen dessen aber weit harmloser als ein Bruch im Dreischluchtendamm.

http://www.heise.de/tp/artikel/23/23042/1.html