Forscher in Berkeley haben nach eigenen Angaben einen entscheidenden Fortschritt für eine neue Methode zur Umwandlung von Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht in nützliche organische Verbindungen erreicht – das kann man mit der Photosynthese vergleichen. Es könne aufgrund dieser Grundlage eine wirtschaftliche Möglichkeit entstehen, um Chemikalien mit hohem Wert als Vorläuferstoffe für Medikamente zu produzieren oder erneuerbare Energie in Form von flüssigen Brennstoffen zu speichern.

Forschung künstliche Photosynthese

Man forscht schon länger an einer künstlichen Photosynthese, es wurden mehrere Ansätze bereits vorgestellt, diese haben jedoch alle Nachteile. Mit der Bezeichnung Elektrotrophen nutzt man dafür Mikroorganismen, die sich dazu bringen lassen, unter Stromzufuhr bestimmte chemische Bausteine zu produzieren.

Halbleiter kann gleichzeitig Sonnenenergie einfangen

Das neue System ist laut Experte das erste, bei dem Halbleiter gleichzeitig Sonnenenergie einfangen, Strom zu den Mikroben übertragen und direkt mit den Bakterien verbunden sind. Frühere Systeme dieser Art brauchten noch große Solarmodule, um erneuerbare Energien zur Verfügung zu stellen, wobei bei dieser Variante die Halbleiter-Nanodrähte Energie von der Sonne beziehen und die Elektronen an elektrotrophe Bakterien weitergeben, diese befinden sich innerhalb der Drähte. Die Elektrotrophen sind in der Lage mit Hilfe der Elektronen Kohlendioxid und Wasser in nützliche chemische Verbindungen umzuwandeln, die dann genetisch manipulierte E.coli weiterleiten, woraus unterschiedliche Endprodukte hergestellt werden können.

Erste direkte Schnittstelle zwischen Bakterien und Halbleitermaterial

Laut den Experten handelt es sich um die erste direkte Schnittstelle zwischen Bakterien und Halbleitermaterial für künstliche Photosynthese. Das System eignet sich für die Produktion von drei Pharma-Vorläuferstoffen und von Butanol, einem Polymer, das bei Plastik zum Einsatz kommt, das biologisch abbaubar ist. Hiermit lassen sich aber auch andere Produkte herstellen, wie beispielsweise teure Chemikalien, die schon in kleinen Mengen gewinnbringend sind. Die Produktion von Treibstoffen lohnt sich aber erst in höheren Mengen.

Prozess ist noch nicht wirtschaftlich

Der Experte bekräftigt, dass das System bei der Verwertung der Sonnenenergie so effizient wie die natürliche Photosynthese ist, allerdings ist der Prozess noch nicht wirtschaftlich, die Gruppe arbeitet aber an neuen Halbleitermaterialien, mit denen man die Kosten senken wolle. Der Experte ist sich sicher, dass die Effizienz in naher Zukunft erhöht werden kann. Das System hat neben den Energie erntenden Nanodrähten noch einen weiteren Vorteil, da es auch in der Gegenwart von Sauerstoff funktioniert. Die vom Experten genutzten Bakterien vertragen Sauerstoff üblicherweise nicht, was es kompliziert macht, sie im Großmaßstab einzusetzen. Laut Experte werden bei dem verwendeten System die Bakterien jedoch von den Nanodrähten „geschützt“.

Künstliches System muss entwickelt werden, das stabiler als Bakterien ist

Für die Systeme auf der Grundlage von Mikroben gibt es aber noch größere Probleme, denn die Bakterien müssen hierfür lebendig sein, was sie aber nicht sehr lange sind, im Vergleich mit chemischen Katalysatoren sind Bakterien eher langsame Maschinen, wie der Professor des Kalifornischen Instituts von Technologie erklärte. Der andere Experte ist auch der Meinung, dass das letztliche Ziel des Teams ein künstliches System ist, das stabiler als eines mit Bakterien sei. Für die Umwandlung von Kohlendioxid in nützliche Verbindungen gebe es keine besseren Antriebsmotoren als Bakterien. Wie der Transfer von Elektronen an die Mikroben vor sich geht untersucht die Gruppe noch genauer, die Experten beschäftigen sich mit der Schnittstelle deshalb, um einen synthetischen Katalysator zu entwickeln, der in der Lage ist, die Bakterien einmal zu ersetzen.