Nur mit Sonnenenergie: Künstliches Blatt erzeugt Wasserstoff

Nur mit Sonnenenergie: Künstliches Blatt erzeugt Wasserstoff

von Peter Vollmer

Keinen Strom von außen, keinen Akku: Mit Sonne und Wasser stellt dieses künstliche Blatt Wasserstoff her.

Es soll das erste vollständige, effiziente, sichere, solarbetriebene System sein, um Wasserstoff herzustellen: Forscher am Zentrum für künstliche Photosynthese (JCAP) des California Institute of Technology haben nicht weniger als ein künstliches Blatt entwickelt.

Seit fünf Jahren gibt es das Zentrum, das mit staatlicher Hilfe ein funktionierendes Verfahren zur autarken Wasserstoffgewinnung finden sollte. „Ein Ziel, das wir im Zeitrahmen und im Rahmen unseres Budgets erreicht haben“, sagt JCAPs wissenschaftlicher Direktor Nate Lewis nicht ohne Stolz.

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Das Blatt – das nicht wie ein Blatt aussieht – besteht hauptsächlich aus zwei Elektroden und einer Membran. Eine Elektrode, die sogenannten Fotoanode, teilt Wasser mit Hilfe des Sonnenlichts in Protonen, Elektronen und Sauerstoff. Der Sauerstoff bleibt in einer Kammer, Protonen und Elektronen hingegen passieren eine Membran hin zu einer zweiten Kammer. In dieser liegt die zweite Elektrode, die Fotokathode. Diese kombiniert Protonen und Elektronen zu Wasserstoff.

Die Elektroden sind jeweils mit einer neugefunden Nano-Schicht aus Titan-dioxid umhüllt, die vor Korrosion schützt. Über den Einsatz solcher Schichten zur Wasserstoffgewinnung haben wir im Mai geschrieben - kein halbes Jahr später ist die Entdeckung also bereits im Einsatz.

Ein technologischer Aufbau übrigens, der in klassischen Solarpanelen nicht genutzt wird. Schließlich taugen diese nicht direkt zur Herstellung von Wasserstoff, da die Materialien selbst oxidieren oder rosten, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen.

Preiswerte EinzelteileEine weitere Innovation, welche die Forscher eingesetzt haben, liegt im Katalysator. Einen solchen braucht die Anode, um das Wasser aufzuteilen. Bislang werden dazu effektive, aber teure Metalle wie Platin genutzt. Im künstlichen Blatt steckt eine preiswerte Nano-Nickelschicht, die als Katalysator für eine höhere Effizienz sorgt.

Viele dünne Schichten also in einer Anlage, die selbst nur einen Quadratzentimeter groß ist. Der Wirkungsgrad liegt bei zehn Prozent, dabei kann das Blatt aber theoretisch 40 Stunden am Stück laufen.

Hier eine Videoaufnahme des Prototyps:

Das Blatt wird in der Augustausgabe des Magazins „Energy and Environmental Science“ vorgestellt. “Unsere Arbeit zeigt, dass es tatsächlich möglich ist, Treibstoff aus Sonne herzustellen. Und zwar sicher und effizient in einem integrierten System, das aus preiswerten Einzelteilen besteht“, sagt Lewis dazu.

'Sicher' deshalb, weil sich Wasserstoff und Sauerstoff nicht vermischen dürfen, sonst kann schon durch einen einfachen Funken zur Explosion kommen. Auch hier ist es die Membran, die beide Kammern absolut dicht halten soll.

Der nächste Schritt: Die Lebensdauer des Systems ausweiten und eine kostengünstige Herstellungsmethode zu finden. Beides zwei große Schritte, die die Forscher noch in Richtung industrielle Nutzbarkeit gehen müssen.

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