MIT-Chemiker erschaffen regenerationsfähiges Kraftwerk

Neue Solarzellen-Moleküle imitieren Methoden von Pflanzen

Ein Problem bei der Nutzung von Sonnenenergie ist, dass Solarzellen bislang nur bedingt lange halten und ihre Herstellung aufwendig und teuer ist. Und selbst wenn die Solarzellen nicht gleich ganz kaputt gehen, dann lässt ihre Leistung im Laufe der Jahre doch beträchtlich nach. Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology (MIT) könnten nun eine Lösung für dieses Problem gefunden haben: In einem Aufsatz für Nature Chemistry beschreiben sie, wie sie sich dafür ein Grundprinzip der Natur zunutze machten: die Regeneration.

In der Natur wird die im Sonnenlicht vorhandene Energie unter anderem durch Fotosynthese umgewandelt und gespeichert. Pflanzen, die Fotosynthese betreiben, sind grundsätzlich mit dem gleichen Problem konfrontiert wie Solarzellen: Durch die im Licht vorhandene Energie und durch den Einfluss von Ozon neigen die Auffangstrukturen dazu, sich chemisch zu verändern, was ihren Wirkungsgrad potenziell verschlechtert.

Im Laufe der Evolution entwickelte sich jedoch eine raffinierte Methode, mit denen die Flora dieser Tendenz begegnet: In den Chloroplasten, die Kohlendioxid mit Hilfe von Sonnenlicht in Kohlehydrate verwandeln, bauen sich Moleküle ständig selbst ab und erneuern sich wieder. Auf diese Weise bleiben sie leistungsfähig. Bei den Blättern eines Laubbaumes dauert solch ein Zyklus lediglich eine Dreiviertelstunde.

Prototyp der regenerationsfähigen Solarzelle. Foto: Patrick Gillooly, MIT.

An dieser Methode orientierten sich auch der Chemotechnik-Professor Michael S. Strano und sein 15-köpfiges Team, dem es mit Fördermitteln des amerikanischen Energieministeriums gelang, eine Solarzelle herzustellen, die aus zwei rekombinanten Proteinen, Phospholipiden und einer Nanoröhre aus Kohlenstoff besteht. Die insgesamt sieben Komponenten setzen sich selbst so zusammen, dass Lipid-Doppelschichten an der Oberfläche der Karbonröhre aggregieren und dort einheitlich ausgerichtete Plattformen zur Anlagerung von lichtverarbeitenden Reaktionszentren bilden.

In solcherart aggregiertem Zustand wandeln die Nanokomponenten Sonnenlicht in Strom um. Konkret geschieht dies dadurch, dass in den Reaktionszentren Moleküle Elektronen abgeben, wenn sie von Lichtpartikeln getroffen werden. Transportiert werden diese Elektronen von den Nanoröhren, an denen die Scheiben mit den Reaktionszentren haften. Sie haben einen Durchmesser von ein paar milliardstel Meter, sind aber extrem stabil und leiten etwa tausend Mal besser als Kupferdrähte.

Gibt man ein Tensid hinzu, dann zerlegt es sich das Aggregat in seine Einzelteile. Entzieht man ihm das Tensid wieder, indem man die Lösung durch eine Membran filtert, dann setzt es sich neu zusammen. Dieser Vorgang ist beliebig oft wiederholbar. Derzeit arbeiten die Wissenschaftler daran, die Konzentration der Aggregate in der Trägerflüssigkeit deutlich zu erhöhen, was ein erster Schritt in Richtung einer höheren Gesamteffizienz und eines wirtschaftlichen Einsatzes wäre.

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