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.