„Ziel ist die Herstellung eines künstlichen Blattes“

Solare Wärmestrahlung chemisch zu binden ist das Prinzip der Photosynthese. Forschende versuchen sich daran, diesen ausgeklügelten Prozess künstlich zu imitieren. Wie das geht, erklärt Thomas Hannappel im Interview.

Vorbild für die „DEPECOR“-Forschungen ist die Natur. © DEPECOR

Herr Prof. Hannappel, Sie forschen zur künstlichen Photosynthese. Was bedeutet das?

Es geht dabei um das Nachahmen des wichtigsten, berühmtesten und entscheidendsten Prozesses für Flora und Fauna auf diesem Planeten, der äußerst erfolgreichen Photosynthese. Die Natur hat über Milliarden von Jahren einen ausgeklügelten Mechanismus entwickelt, der es ermöglicht, solare Wärmestrahlung chemisch zu binden. Sonnenstrahlung haben wir gratis und im Überfluss zur Verfügung.

Im ersten Schritt wird dabei Wasser in seine Bestandteile zerlegt, also in Wasserstoff und Sauerstoff. Im zweiten Schritt wird in der Pflanze aus dem Wasserstoff unter Verwendung von Kohlenstoffdioxid höherwertiger Brennstoff erzeugt. Unser Ziel bei der künstlichen Photosynthese ist die Herstellung eines künstlichen Blattes. Das taucht man praktisch einfach ins Wasser, und es erzeugt dann ohne Verbindung nach außen einen Brennstoff, sobald Sonnenlicht darauf fällt.

Thomas Hannappel ist Professor für Physik und forscht zu Grundlagen von Energiematerialien an der TU Ilmenau. ©TU Ilmenau

Was muss passieren, damit dieser Prozess praktisch eingesetzt werden kann?

Den prinzipiellen Nachweis der Machbarkeit hat man längst erbracht, zum Teil schon mit sehr guten Ergebnissen. Es ist natürlich wichtig das Ganze wettbewerbsfähig zu machen. Parameter wie Effizienz, Material, Herstellungskosten und Robustheit sind dabei sehr wichtig. Forschung und Entwicklung sind unbedingt nötig für diese extrem komplexe Herausforderung. Wissenschaftlich entscheidend sind Nobelpreis-gekrönte Themen wie die Katalyse und die Optoelektronik. Grenzflächen, wie die Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der Zelle, spielen eine besondere Rolle. Herbert Krömer, der 2000 den Nobelpreis für Physik bekommen hat, prägte den Ausspruch: „The Interface is the device“, was heißen soll, die Grenzfläche ist das Alles entscheidende.

In Ihrem BMBF-geförderten Projekt DEPECOR beschäftigen Sie sich genau mit diesen Grenzflächen. Worum geht es im Projekt genau?

In unserem Projekt geht es um die Fest-Flüssig-Grenzfläche und die Katalyse. Pflanzen erreichen bei der Photosynthese Effizienzen im Bereich von etwa einem Prozent. Wir können das prinzipiell viel besser mit sogenannten Halbleitermaterialien. Wie in der Natur wird Sonnenlicht nacheinander ausgebeutet: Erst der hochenergetischere blaue Teil und anschließend der niederenergetischere rote und auch infrarote Teil.

So eine Anordnung nennt man dann Tandemanordnung oder auch Multiabsorberanordnung. Das braucht man unbedingt, um diesen prinzipiellen Prozess, also die Zerlegung von Wasser, sehr effizient zu gestalten. Auch Kohlenstoffdioxid kann mit solch einer Anordnung in seine Bestandteile zerlegt werden. In DEPECOR verfolgen wir einen systemischen Ansatz, bei dem auch in der Photovoltaik bereits etablierte hocheffiziente Teilsolarzellen eingesetzt werden.

Workshop des BMBF und des DoE:

Vom 24. bis 26. Juni 2020 veranstaltet das Bundesforschungsministerium gemeinsam mit dem US-amerikanischen Department of Energy (DoE) einen virtuellen Workshop zur Stärkung der deutsch-amerikanischen Zusammenarbeit im Bereich der künstlichen Photosynthese. An dem Workshop nehmen auf Einladung des BMBF und des DoE je 15 hochrangige Wissenschaftler aus beiden Ländern teil mit dem Ziel eine gemeinsame Vision für die künstliche Photosynthese zu entwickeln. Die wissenschaftliche Leitung des Workshops teilen sich Prof. Thomas Hannappel von der TU Ilmenau und Dr. Frances Houle vom Joint Centre for Artificial Photosynthesis (JCAP) in Berkeley, USA. Eröffnet wird die Veranstaltung durch Volker Rieke, Leiter der Abteilung „Zukunftsvorsorge, Forschung für Grundlagen und Nachhaltigkeit“ des BMBF und Dr. Harriet Kung, Deputy Director for Science Programs, Office of Science, U.S. Department of Energy.

Sie wollen also der Natur ein Schnippchen schlagen. Wieviel besser wollen Sie denn werden?

Mit niedriger (sogenannter solar-to-fuels-) Effizienz, das wissen wir schon von der Photovoltaik, kann man nicht wettbewerbsfähig sein. Auf keinen Fall sollte man unter 10 % bleiben, idealerweise müssen wir in die Nähe von oder sogar über 20 % Effizienz kommen. Bei der Wasserstofferzeugung ist uns das schon gelungen. Wir haben dafür mit unseren Partnern am Joint Centre for Artificial Photosynthesis (JCAP) in den USA ein künstliches Blatt entwickelt und einen Weltrekord mit 19,3 % Effizienz erzielt. Damit sind wir schon ganz gut im Rennen, aber wir können und müssen noch besser werden.

Wer ist am Projekt beteiligt?

Wir arbeiten mit tollen Partnern zusammen: neben der TU Ilmenau, ist das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), die TU München und der Industriepartner AZUR SPACE Solar Power GmbH beteiligt. Zusätzlich sind unsere US-Partner, dass Joint Centre for Artificial Photosynthesis (JCAP) und weitere assoziierte Partner wie BASF, Evonik und das EPFL Lausanne beteiligt.

Wie bei Ihrem Weltrekord kooperieren Sie auch in DEPECOR mit US-amerikanischen Wissenschaftlern. Was versprechen Sie sich davon?

Bei der künstlichen Photosynthese ist hoch anspruchsvolle Forschung und Entwicklung nötig, mit großer Komplexität und Interdisziplinarität. Dafür nutzen wir alle Möglichkeiten und bringen das verfügbare Fachwissen zusammen. Bei der Entwicklung des aktuell weltbesten künstlichen Blatts haben wir bereits erfolgreich und zielstrebig gemeinsam gearbeitet. Bei diesem Erfolgsmodell wollen wir wieder ansetzen. Wir wollen so die unterschiedlichen Stärken und Erfahrungen nutzen.

Vom 24. bis zum 26. Juni findet ein virtueller Workshop zur künstlichen Photosynthese statt, der gemeinsam vom BMBF und dem US-amerikanischen Department of Energy veranstaltet wird. Was genau ist das Ziel dieser Veranstaltung?

Wir wollen dort eine Forschungs- und Entwicklungsstrategie entwickeln, um entscheidende Fragen der künstlichen Photosynthese gemeinsam zu bearbeiten und natürlich auch irgendwann zu beantworten. Dazu brauchen wir die gesamte Expertise und das Know-how aus Deutschland und den USA. Im Workshop wollen wir die entscheidenden und kritischen Fragestellungen herausarbeiten und die komplementären Stärken identifizieren. Themen wie das Kristallwachstum und die Solarenergiekonversion sind in Deutschland bereits ganz hervorragend bearbeitet und entwickelt worden. Unsere US-amerikanischen Partner haben sich z.B. bei der Architektur der Systeme und der Prototypentwicklung hervorgetan.

© DEPECOR

Wie machen Sie das im Workshop konkret?

Insgesamt geht es um die Entwicklung eines integrierten Bauelements mit sehr vielen Facetten. Wir können uns da erheblich ergänzen und in unserer Performance verbessern. Die vielen Themen greifen wir auf und werden diese dann in Kleingruppen diskutieren und abwägen. Unser ehrgeiziges Ziel ist es also, wirklich gemeinsam etwas zu entwickeln.

Und wie geht es nach dem Workshop weiter?

An diesem Thema müssen wir mit Ausdauer und langem Atem arbeiten. Nicht umsonst bezeichnet man das Ganze als den heiligen Gral der Elektrochemie, der im Grunde Weltprobleme wie eine nachhaltige Energieversorgung, Speicherung und Mobilität nachhaltig lösen kann. Wir wollen natürlich auch Etappensiege erzielen, die auch wichtig für verwandte Technologien sind. Das sind beispielsweise wettbewerbsfähige Tandemsolarzellen, an denen mit großem Engagement gegenwärtig geforscht wird.

Aber auch effiziente und stabile Katalyseverfahren, die man zum Beispiel auch bei der alternativen Wasserstofferzeugung, der sogenannten Power-to-X-Technologie, nutzt. Die gesamte Optoelektronik kann praktisch von den Entwicklungen der Halbleitermaterialien profitieren. Wir sprechen daher nicht von einer Durchbruchstechnologie, sondern gleich von mehreren. Vieles davon ist noch Zukunftsmusik, und es ist noch viel zu tun. Aber wir kommen mit unseren gegenwärtigen Arbeiten immer näher zum Ziel.

Herr Prof. Hannappel, wir danken Ihnen für das Gespräch.

DEPECOR und CO2-WIN

Das Projekt „DEPECOR- Direkte effiziente photoelektrokatalytische CO2 Reduktion“ ist Teil der Fördermaßnahme „CO2 als nachhaltige Kohlenstoffquelle – Wege zur industriellen Nutzung (CO2-WIN). Mit der Maßnahme unterstützt das Bundesforschungsministerium Projekte, die Kohlendioxid als Rohstoff für die deutsche Wirtschaft nutzbar machen. Es werden 12 Forschungs- und Entwicklungsverbundprojekte mit insgesamt rund 27 Millionen Euro für drei Jahre gefördert. Die Projekte starteten am 01.02.2020. Neben der künstlichen Photosynthese werden Projekte zur Mineralisierung und zur chemischen, elektrochemischen und biotechnologischen Umwandlung von CO2 gefördert. Näheres zur Fördermaßnahme finden Sie unter www.co2-utilization.net