Wie man ultraschnelle chemische Prozesse in Molekülen besser verstehen kann, haben Forscher aus Graz und Wien gezeigt. Ihre Methode könnte zur effizienten Erzeugung von Wasserstoff mittels Sonnenlichts beitragen.
„Es dürfte eigentlich gar kein Energieproblem auf der Erde geben. Wir müssten nur lernen, die im Übermaß vorhandene Sonnenenergie und das ebenfalls reichlich verfügbare Wasser besser zu nutzen“, sagt Markus Koch, Experimentalphysiker an der Technischen Universität (TU) Graz. Sein Ziel, dem er nun einen entscheidenden Schritt nähergekommen ist: die Umwandlung von Licht in andere Energieformen zu optimieren – wie etwa die Fotokatalyse zur Herstellung von Wasserstoff.
Laser messen Quantenzustände
Das ist ein Thema, mit dem sich Wissenschaftler weltweit seit etlichen Jahren befassen. Die Fotokatalyse ist wesentlich ökologischer als die vorherrschende Methode der Wasserstofferzeugung mittels Dampfreformierung aus fossilen Energieträgern und effizienter als die Elektrolyse, ist aber derzeit nur auf wirtschaftlich unrentable Weise möglich. Der Grund: Wenn Licht auf Materie trifft, ändert diese ihre Quantenzustände, wodurch benachbarten Wassermolekülen ein Wasserstoffatom entzogen und freigesetzt werden kann – doch laufen diese Prozesse so rasend schnell ab, dass man es nur durch Befeuerung mit Laserpulsen in Femtosekundenabständen schafft, sie zu messen und zu beschreiben.
In vielen Fällen jedoch, wenn etwa die Quantenzustände in sehr engen Energieabständen liegen, war eine Beobachtung bisher gänzlich unmöglich. „Die Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie ist aber notwendig, um Sonnenlicht in andere Energieformen umwandeln zu können“, sagt Koch.
Dass es nun in Zusammenarbeit mit Forschern der Uni Wien unter Leitung von Leticia González gelang, diese Prozesse mit der erforderlichen Präzision zu erfassen, ist auf die Kombination von praktischen Experimenten mit Echtzeit-Simulationen zurückzuführen. Dafür mussten die Wiener Wissenschaftler zunächst die eingesetzte Software adaptieren. „Ohne diese Weiterentwicklung wäre die Beschreibung dieser Moleküldynamik nicht möglich gewesen“, betont González.
In einem nächsten Schritt werden die Forscher anstelle von Aceton, an dem die Forschungen modellhaft durchgeführt wurden, ein anderes Molekül finden müssen, das für die Wasserstoffproduktion mittels fotokatalytischer Wasserspaltung geeignet ist. „Ob Sonnenlicht als Auslöser für die Reaktion infrage kommt, hängt unter anderem von Art und Größe des verwendeten Moleküls ab“, erklärt Koch. „Aceton besitzt nicht die passenden Eigenschaften.“ Das nunmehrige Wissen hilft den Forschern bei der Suche. Möglich wäre beispielsweise Acridin, eine organische Verbindung, die im Steinkohlenteer vorkommt oder aus Ameisensäure synthetisch hergestellt werden kann.
Die Wissenschaftler erhoffen sich durch ihre Forschung auch Hinweise für die Verbesserungen bei der Umwandlung von Solarenergie in Strom bei der Fotovoltaik. „Vielleicht gelingt es, umweltfreundlichere Alternativen zur Silizium-Solarzelle zu finden“, hofft Koch. Die in rund 90 Prozent aller Solaranlagen weltweit verwendeten Siliziumzellen benötigen für ihre Herstellung so viel Energie, wie sie danach in rund einem Jahr erzeugen. Im Fokus der TU-Forscher bleibt jedoch die effiziente Herstellung von Wasserstoff, der, so Koch, „Vorteile in Hinblick auf Langzeitspeicherung und Energiedichte bringt“.
LEXIKON
Wasserstoff gilt in der Mobilität als potenzielle Alternative zur Batterie, da er langfristig speicherbar ist und größere Reichweiten ermöglicht. Hauptproblem neben der Verwendung von Platin in den Brennstoffzellen ist die Infrastruktur: Europaweit gibt es derzeit nicht einmal 100 Wasserstoff-Tankstellen, fünf davon in Österreich. 41 Wasserstoff-Fahrzeuge waren per Jahresbeginn in Österreich zugelassen – bei einer Gesamtzahl an Kraftfahrzeugen von rund fünf Millionen.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 22.02.2020)