Ulm Uni-Chemiker entwickeln künstliches Blatt im Reagenzglas

Doktorand Benjamin Schwarz bei der Arbeit im Labor.
Doktorand Benjamin Schwarz bei der Arbeit im Labor. © Foto: Volkmar Könneke
RUDI KÜBLER 31.05.2016
Von der Natur lernen – Ulmer Uni-Chemiker haben in einem ersten Schritt ein künstliches Blatt entwickelt. Der zweite Schritt: Wasserstoff herstellen.

Wie sie es bloß macht, die Natur? Nicht nur der Laie fragt sich das immer wieder – im Frühling. Und auch sonst: im Sommer, im Herbst, im Winter. Selbst Chemiker und Biologen sind bisweilen bass erstaunt, was die Natur so alles zuwege bringt. Vor allem: Wie sie es zuwege bringt. Nehmen wir nur mal das Blatt einer Pflanze: Einzelne Bausteine sind zwar erforscht; manche Vorgänge sind aber derart extrem komplex, „dass wir nicht bis ins Detail wissen, wie das Ganze abläuft“, sagt Carsten Streb. Der Professor vom Institut für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm forscht seit geraumer Zeit an der Entwicklung eines künstlichen Blatts.

Das hört sich jetzt gewaltig an: ein künstliches Blatt. Was da in vierjähriger Arbeit im Reagenzglas entstanden ist, darf man sich jetzt nicht wirklich als Blatt vorstellen, also: vom Grün eines Rosen-, Gingko- oder Kastanienblatts ist das künstliche Blatt noch recht weit entfernt. Aber das ist eigentlich auch gar nicht das Ziel, das künstliche Blatt ist eher ein „nettes“ Nebenprodukt. Vielmehr geht es Streb und seinem Doktoranden Benjamin Schwarz in einem ersten Schritt darum zu verstehen, wie die Natur Energie speichert. „Das ist der Hintergedanke“, sagt Streb, „wer sich damit beschäftigt, landet schnell bei der Photosynthese.“ Forschung dieser Art könnte beispielsweise in eine Zusammenarbeit mit dem vor zwei Jahre eröffneten Helmholtz-Institut für Elektrochemische Energiespeicherung Ulm (HIU) münden. Erste Kontakte bestehen schon.

Nun, die Natur beherrscht die Umwandlung von Wasser zu Sauerstoff aus dem Effeff; angetrieben durch Licht, wandeln Blätter bei der Photosynthese Wasser, das sie aufnehmen, in Sauerstoff um und produzieren gleichzeitig Zucker als Energiespeicher. Und das permanent. Ohne Wasseroxidation bräche das Ökosystem zusammen, „alles, was wir zu uns nehmen, kommt über diesen Prozess zustande. Im Labor dagegen ist diese Umwandlung ein extrem schwieriges Unterfangen. Wirklich gut funktionierende Modelle gibt es so gut wie nicht“, sagt Streb.

Was also tun? Sich die Natur als Vorbild nehmen. Einfach gesagt. In der Natur findet die Umwandlung in einem komplexen System statt. Inmitten einer Ansammlung von Eiweißmolekülen sitzt ein kleiner Baustein, ein Reaktionszentrum aus einer Mangan-Sauerstoffverbindung, „das erwartet man in einer Pflanze eigentlich nicht“. Um einen solchen Katalysator im Labor nachbauen zu können, verwenden die Ulmer Wissenschaftler ebenfalls Mangan. Wie die Natur. Das hat einen Grund, einen nicht ganz unbedeutenden: Mangan kommt überall im Boden vor, ist daher billig. Sicher, sagt Streb, mit Edelmetallen wie Iridium sei die Reaktion wesentlich schneller in Gang zu setzen, „aber Edelmetalle sind wesentlich teurer, weil sie selten vorkommen“.

Im Labor funktioniert der Katalysator mit Mangan und Vanadiumoxid, „das System ist stabil, das haben die Messungen gezeigt“, sagt Schwarz. Oft ändern sich nämlich die Katalysatoren während der Laborversuche – nicht so in diesem Fall. Sprich: Nach einer Lichteinstrahlung über LED-Lampen setzt das künstliche Blatt wirklich auch innerhalb weniger Minuten Sauerstoff frei. Interessant ist freilich: Das Modell funktioniert sogar besser als die Natur. Denn das Reaktionszentrum im grünen Blatt zerstört sich durch den freigesetzten Sauerstoff selber. Die Natur hält diesen Zersetzungsprozess zwar auf, benötigt dafür aber eine hohen Energieaufwand. „Deshalb haben wir nicht organische Strukturen verwendet, das Vanadiumoxid reagiert nicht mit dem freigesetzten Sauerstoff“, erklärt Streb.

Das war, wie gesagt, der erste Schritt, jüngst veröffentlicht in der renommierten Zeitschrift „Angewandte Chemie“. Der zweite Schritt ist ungleich schwieriger, weil technisch aufwendig – und daran arbeiten die beiden Ulmer Forscher gerade: den ersten Katalysator mit einem zweiten Katalysator koppeln mit dem Ziel, Wasserstoff herzustellen. Ein ambitioniertes Vorhaben, an dem sich derzeit viele Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen, denn, so Streb, nachhaltig Wasserstoff herzustellen im industriellen Maßstab als Ersatz für Benzin, „das wäre die Lösung“.
 

Zur Person

Prof. Carsten Streb ist seit 2013 am Institut für Anorganische Chemie I der Uni Ulm. Der 37-Jährige ist in Pirmasens geboren, er hat Chemie in Kaiserslautern studiert, von 2005 bis 2009 in Glasgow promoviert und von 2009 bis 2013 an der Uni Erlangen habilitiert.