Was ist künstliche Photosynthese?
Pflanzen beziehen ihre Energie auf eine Weise, die sich stark von der Art und Weise unterscheidet, wie Menschen Energie erhalten. Wenn ein Mensch Energie braucht, isst er Essen. Wenn eine Pflanze Energie benötigt, nutzt sie den Prozess der Photosynthese, um Kohlendioxid aus der Umwelt aufzunehmen und es mithilfe des Sonnenlichts in Zucker umzuwandeln. Dies ist die Art von Energie, die sie zum Leben benötigt. Wissenschaftler haben daran gearbeitet, den Prozess der Photosynthese nachzubilden, um die Sonnenenergie auf neue, effektive und umweltfreundliche Weise zu nutzen, und die Forschung zur künstlichen Photosynthese hat zu interessanten Ergebnissen geführt.
Die Fähigkeit zur künstlichen Photosynthese wurde zum ersten Mal im Jahr 2000 angekündigt, obwohl sich die Forschung zuvor in der Planungsphase befand. Die Forscher vertrauten auf den 1953 entdeckten Honda-Fujishima-Effekt, der Titandioxid als Fotokatalysator verwendet. Ein Photokatalysator beschleunigt Prozesse in Bezug auf Licht und in diesem Fall Energie.
Aufgrund des wissenschaftlichen und geschäftlichen Interesses an der künstlichen Photosynthese und des Wunsches nach potenziellen neuen Produkten, die daraus entstehen könnten, wurde das Forschungsgebiet in zwei Seiten geteilt. Dies führte zu zwei unterschiedlichen Ergebnissen: photoelektrochemischen Zellen und farbstoffsensibilisierten Solarzellen. Jede Zelle arbeitet nach unterschiedlichen Prinzipien, versucht jedoch, dasselbe Ergebnis zu erzielen: künstliche photosynthetische Energie, die zur späteren Verwendung genutzt und gespeichert werden kann, wodurch die Abhängigkeit der Welt von nicht erneuerbaren Energiequellen verringert würde.
Photoelektrochemische Zellen, auch als PECs bezeichnet, nutzen den elektrischen Strom von Wasser, um in einem als Elektrolyse bezeichneten Prozess Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Strom kann dann im Wasserstoff gespeichert werden, der ein „Energieträger“ ist, und die Energie kann später verwendet werden, beispielsweise in Batterien. Es gibt zwei Arten von PECs, eine, die Halbleiteroberflächen verwendet, um die Sonnenenergie zu absorbieren und Wassermoleküle für den Energieverbrauch aufzuspalten. Die andere Sorte verwendet gelöste Metalle, um Sonnenenergie einzusaugen und den Prozess der künstlichen Photosynthese zu starten. Die gebräuchlichsten Metallkatalysatoren für diese Art der Reaktion sind Kobalt und Rhodium. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben herausgefunden, dass diese Metalle für diese Art von Arbeit am effektivsten sind.
Der andere zu untersuchende Zelltyp, die farbstoffsensibilisierte Solarzelle, wird manchmal als Gratzel-Zelle oder Graetzel-Zelle bezeichnet. Farbstoffsensibilisierte künstliche Photosynthesezellen verwenden wie PECs einen Halbleiter, um Energie zu sammeln, normalerweise Silizium. In farbstoffsensibilisierten Zellen wird der Halbleiter verwendet, um die gesammelte Energie zu transportieren, und die Photoelektronen oder Energieteilchen werden unter Verwendung spezieller Farbstoffe abgetrennt und nutzbar gemacht. Gratzelzellen gelten als die effektivste Form der künstlichen Photosynthese, die derzeit erhältlich ist, und als die kostengünstigste in der Herstellung. Die Nachteile sind hauptsächlich auf Temperaturbedenken im Zusammenhang mit den flüssigen Farbstoffen zurückzuführen, da diese bei niedrigeren Temperaturen einfrieren und die Energieerzeugung einstellen und sich bei höheren Temperaturen ausdehnen und brechen können.
Auf dem Gebiet der künstlichen Photosynthese wird noch geforscht, insbesondere um bessere Katalysatoren und Energietransportmechanismen zu finden. Sie sind zwar nicht die effektivste Form der Energieerzeugung, aber aufgrund ihres hohen Ertragspotenzials, der geringen Herstellungskosten und möglicher Auswirkungen auf die Umwelt besteht nach wie vor großes Interesse an ihnen. Wenn die künstliche Photosynthese zugänglich und verlässlich gemacht werden könnte, könnte die Abhängigkeit der Welt von nicht erneuerbaren fossilen Brennstoffen erheblich verringert werden.