Optimierung der künstlichen Fotosynthese

Forschende des Karl­sruher Insti­tuts für Tech­nolo­gie (KIT) und ihre kanadis­chen Part­ner wollen mit Fotore­ak­tor­mod­ulen eine effiziente Pro­duk­tion von Wasser­stoff, Kraft­stoffe und Trinkwass­er auf Dachflächen oder in Solarparks ermöglichen. Bei der kün­stlichen Foto­syn­these wer­den chemis­che Reak­tio­nen mith­il­fe von Son­nen­licht durchge­führt. Wie beim natür­lichen Vor­bild wer­den Pho­to­nen dabei von einem fotokat­alytisch aktiv­en Mate­r­i­al so absorbiert, dass ihre Energie direkt eine chemis­che Reak­tion antreibt. „Inzwis­chen sind unter­schiedliche Fotokatalysatoren bekan­nt. Mit ihnen lässt sich zum Beispiel Wass­er in Wasser­stoff und Sauer­stoff spal­ten, es lassen sich aber auch kli­ma­neu­trale Kraft­stoffe aus Wass­er und Kohlen­diox­id her­stellen“, sagt Paul Kant vom Insti­tut für Mikrover­fahren­stech­nik (IMVT) des KIT. Bis­lang war die Tech­nolo­gie allerd­ings vor allem im Labor zu find­en, weil die Kosten ein­er Pro­duk­tion von solarem Wasser­stoff schlicht zu hoch waren. Mit einem Konzept für hochef­fiziente Fotore­ak­tor­pa­neele, die in kostengün­sti­gen Mod­ulen ver­baut wer­den kön­nen, ist der Forschungs­gruppe ein entschei­den­der Schritt in Rich­tung Prax­is gelun­gen. Den großflächi­gen Ein­satz solch­er neuar­tiger Fotore­ak­tor­mod­ule auf Haus­däch­ern oder in Solar­far­men zur Her­stel­lung von Wasser­stoff oder Kraft­stof­fen hält Kant für eine der großen tech­nol­o­gis­chen Chan­cen der Men­schheit im Kampf gegen die Kli­makrise: „Das kön­nte den Ein­satz fos­siler Energi­eträger schlichtweg über­flüs­sig machen.“ Kant leit­ete die Forschungsar­beit­en fed­er­führend während sein­er Pro­mo­tion bei Pro­fes­sor Roland Dittmey­er am IMVT. Sie sind Teil des Helmholtz-Pro­gramms Mate­ri­als and Tech­nolo­gies for the Ener­gy Transition.

Ein effizientes Fotore­ak­tor­mod­ul für die prak­tis­che Anwen­dung muss im Wesentlichen zwei Kom­po­nen­ten aufweisen: Zum einen muss ein geeigneter Fotokatalysator zur Ver­fü­gung ste­hen, der die eigentliche chemis­che Reak­tion antreibt. Zum anderen muss ein Fotore­ak­tor vorhan­den sein, also ein „Behält­nis“ für den Fotokatalysator sowie die Aus­gangsstoffe der chemis­chen Reak­tion. „Der Fotore­ak­tor sollte ein­fal­l­en­des Son­nen­licht ide­al­er­weise ver­lus­tarm zum Fotokatalysator leit­en, egal aus welch­er Rich­tung es ein­fällt, beziehungsweise egal wo am Him­mel die Sonne ste­ht“, erk­lärt Kant. „Wichtig ist außer­dem, dass der Fotore­ak­tor durch seine Struk­tur und das ver­wen­dete Mate­r­i­al opti­male Betrieb­s­be­din­gun­gen für den Fotokatalysator gewährleis­tet, etwa die richtige Tem­per­atur oder die passende Inten­sität bei der Absorp­tion von Licht am Fotokatalysator.” Das von dem Forschung­steam vorgestellte Fotore­ak­torkonzept adressiert diese dop­pelte Her­aus­forderung: Es beste­ht aus mikrostruk­turi­erten Poly­mer­pa­nee­len, die für eine hohe Reflek­tiv­ität mit Alu­mini­um beschichtet wer­den und ermöglicht sowohl opti­male Betrieb­s­be­din­gun­gen als auch einen effizien­ten Trans­port von Licht zum Fotokatalysator über den gesamten Tagesver­lauf. Die Forschen­den haben das Sys­tem mith­il­fe com­put­ergestützter Geome­trieop­ti­mierung sowie einem fotokat­alytis­chen Mod­ell­sys­tem entwick­elt und kon­nten es bere­its im Labor­maßstab demonstrieren.

Auf Grund­lage ein­er all­ge­me­ingülti­gen Richtlin­ie, die von den Forschen­den auf Basis ein­er detail­lierten Analyse ihres Reak­torkonzepts erar­beit­et wur­den, kön­nen zukün­ftige Fotore­ak­tor­mod­ule für unter­schiedliche Ein­satzz­wecke ver­hält­nis­mäßig ein­fach auf hohe Effizienz aus­gelegt wer­den. Eine hohe Effizienz bei der chemis­chen Reak­tion ist allerd­ings nur ein Teil der Her­aus­forderung, um die kün­stliche Foto­syn­these als eine wirtschaftliche Tech­nolo­gie zu etablieren. Für rel­e­vante Pro­duk­t­men­gen müssen große Flächen mit Fotore­ak­tor­pa­nee­len bedeckt wer­den. In weit­er­führen­den Arbeit­en unter der Fed­er­führung von Anselm Dreher wird in den näch­sten Schrit­ten nun am IMVT in Karl­sruhe und in der Arbeits­gruppe um Pro­fes­sor Geof­frey Ozin in Toron­to ein geeigneter Fotokatalysator entwick­elt, der effizient Wass­er in Wasser­stoff und Sauer­stoff spal­tet. Der Fotokatalysator wird anschließend in die vorgestell­ten Fotore­ak­toren inte­gri­ert. Fern­er umfassen aktuelle Arbeit­en Unter­suchun­gen zur Massen­pro­duk­tion der vorgestell­ten Paneele.