Neues Molekül bringt künstliche Photosynthese der Realität näher

Ersetzen der natürlichen Photosynthese

Directly or indirectly, a massive amount of the energy we use has been produced through photosynthesis.

Direkt oder indirekt wurde ein großer Teil der von uns genutzten Energie durch Photosynthese erzeugt.

Das gilt natürlich für die Kalorien, die unseren Körper antreiben, aber letztlich auch für fossile Brennstoffe, die lediglich „gespeicherte“ Photosynthese von Pflanzen sind, die vor Äonen gestorben sind.

Daher wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, unser Energie- und Ernährungssystem umweltfreundlicher zu gestalten, indem entweder die natürliche Photosynthese verbessert oder für neue Anwendungen genutzt wird, etwa zur Herstellung von Biokraftstoffen aus Algen.

Eine großtechnische Umsetzung könnte entscheidend sein, um den steigenden CO₂‑Gehalt in der Atmosphäre zu begrenzen.

Aber was, wenn wir den Photosynthese‑Prozess nachahmen könnten, ohne lebende Organismen zu benötigen? Schließlich ist es ein elektrochemischer Vorgang, der nicht zwingend lebende Zellen erfordert. Das ist das Versprechen der sogenannten „künstlichen Photosynthese“.

Sie würde unsere Fähigkeit, Sonnenenergie zu nutzen, einen Schritt über die Photovoltaik hinausheben, die „nur“ Strom aus Sonnenlicht erzeugen kann, jedoch keine chemischen Reaktionen direkt beeinflusst.

Einige Fortschritte wurden erzielt, insbesondere in Richtung einer photosyntheseähnlichen Wasserstoffproduktion, doch es ist weitere Arbeit nötig, um eine genauere Kopie zu erreichen.

Wie Photosynthese in der Natur funktioniert

In plants, photosynthesis is, roughly speaking, in its simplest form. The process of taking in CO2 and water, using light as an energy source, and producing carbohydrates and oxygen.

Quelle: Britannica

Auf den ersten Blick scheint dies auf eine sehr einfache chemische Gleichung reduziert werden zu können und könnte leicht künstlich reproduziert werden.

Quelle: Britannica

Eine andere Geschichte ergibt sich, wenn man betrachtet, wie es tatsächlich abläuft.

Die pflanzliche Photosynthese ist tatsächlich eines der komplexesten biochemischen Maschinensysteme, mit Dutzenden von Zwischenreaktionen, einer Vielzahl von Unterkomponenten und teilweise noch nicht vollständig verstandenen molekularen Mechanismen, die aufwendige Elektronenbewegungen beinhalten.

Die synthetische Erklärung dieses Themas in der Britannica-Enzyklopädie umfasst nicht weniger als 10.000 Wörter.

Wissenschaftler, die es untersuchen, müssen sich mit wesentlich komplexeren Schemata auseinandersetzen, um überhaupt einen Überblick über die Photosynthese zu erhalten:

Quelle: Lumen Learning

Obwohl sie in der Natur hauptsächlich zur Herstellung von Kohlenhydraten verwendet wird, könnte die Photosynthese theoretisch für viele andere Anwendungen genutzt werden, bei denen Licht als Energiequelle dient, zum Beispiel die Synthese von Wasserstoff aus Wasser (Photokatalyse).

Ein ähnlicher Prozess von lichtinduzierten Elektronen- und Ionenbewegungen könnte ebenfalls zur künstlichen Zuckerherstellung verwendet werden. Das ist die Idee, an der drei Wissenschaftler der Universität Basel (Schweiz) arbeiten. Sie veröffentlichten kürzlich in Nature Chemistry¹ ihre Ergebnisse zu einem neuen Molekül, das für künstliche Photosynthese verwendet werden könnte, mit dem Titel „Photoinduced double charge accumulation in a molecular compound“.

Künstliches Chlorophyll herstellen

Mehrfachladungs-Moleküle

Natural photosynthesis relies on a series of electrochemical reactions. As a result, it requires a so-called charge-separated state (CSS), where a molecule carries at the same time a positive and a negative charge.

Die natürliche Photosynthese beruht auf einer Reihe elektrochemischer Reaktionen. Daher benötigt sie einen sogenannten ladungstrennenden Zustand (CSS), bei dem ein Molekül gleichzeitig eine positive und eine negative Ladung trägt.

Wichtig ist, dass kraftstoffbildende Reaktionen mehrere Elektronen benötigen, nicht nur einen, was bisher das Beste war, was künstliche Photosynthesesysteme erreichen konnten.

Insbesondere für die CO₂‑Reduktion scheint ein Mehrfach‑Elektronentransfer essenziell zu sein, weshalb sich die meisten bisherigen künstlichen Photosyntheselösungen stattdessen auf die Wasserstofferzeugung konzentriert haben.

Hier ändert die Entdeckung der Schweizer Forscher die Situation, indem sie ein spezielles Molekül geschaffen haben, das unter Lichteinwirkung gleichzeitig vier Ladungen erzeugen und speichern kann – zwei positive und zwei negative.

Quelle: Nature

Wie funktioniert das?

The molecule contains a center part that is sensitive to light and generates an electron move in response. The researchers took a sequential approach using two flashes of light.

Das Molekül enthält einen zentralen Teil, der lichtempfindlich ist und als Reaktion eine Elektronenbewegung erzeugt. Die Forscher verfolgten einen sequenziellen Ansatz mit zwei Lichtblitzen.

Der erste Lichtblitz trifft das Molekül und löst eine Reaktion aus, bei der eine positive und eine negative Ladung erzeugt werden, die sich zum gegenüberliegenden Ende des Moleküls bewegen.

Beim zweiten Lichtblitz tritt dieselbe Reaktion erneut auf, sodass das Molekül anschließend zwei positive und zwei negative Ladungen enthält.

Quelle: Nature

Verbesserte Lichtempfindlichkeit

The sequential step, using light in a 2-step process, is not only important to accumulate a double electrical charge on each end of the molecule, but also to reduce the energy required for each step, allowing it to function in lower light intensity than before.

Der sequenzielle Schritt, bei dem Licht in einem 2‑Schritt‑Verfahren verwendet wird, ist nicht nur wichtig, um an jedem Ende des Moleküls eine doppelte elektrische Ladung zu akkumulieren, sondern auch, um die für jeden Schritt erforderliche Energie zu reduzieren, sodass es bei geringerer Lichtintensität als zuvor funktionieren kann.

Quelle: Nature

„Infolgedessen nähern wir uns bereits der Intensität des Sonnenlichts.

Frühere Forschungen erforderten extrem starkes Laserlicht, was weit entfernt von der Vision der künstlichen Photosynthese war.

Mathis Brändlin – Promotionsstudent an der Universität Basel

Warum dieses Molekül ein wichtiger Fortschritt ist

Another quality of this new molecule is that it retains its charge for a sufficiently long time to be used in powering further chemical reactions, a must-have for any complete artificial photosynthesis system.

Eine weitere Eigenschaft dieses neuen Moleküls ist, dass es seine Ladung über ausreichend lange Zeit behält, um weitere chemische Reaktionen zu ermöglichen – ein Muss für jedes vollständige System der künstlichen Photosynthese.

„Wir haben ein wichtiges Puzzleteil identifiziert und umgesetzt.“

Wir hoffen, dass dies uns hilft, zu neuen Perspektiven für eine nachhaltige Energiezukunft beizutragen.

Prof. Oliver Wenger – Universität Basel

Mit einer Ladungsretention von 120 µs (tausend- bis millionenfach besser als zuvor) sollte dies für chemische Reaktionen ausreichen, obwohl die ideale Dauer in Sekunden gemessen werden würde.

Im Vergleich zu einst‑Ladungs‑ oder nur einer Ladungsart, die in früheren Experimenten mit photosensitiven Molekülen getestet wurden, ist dies das bisher vielversprechendste Molekül für die Entwicklung künstlicher Photosynthese.

Weitere Optimierungen des Designs könnten seine Fähigkeit verbessern, bei natürlicher Lichtintensität zu arbeiten oder die elektrischen Ladungen noch länger zu halten.

Der andere Schlüsselteil eines noch zu entwickelnden künstlichen Photosynthese‑Prozesses ist ein Pigment mit hochenergetischen angeregten Zuständen sowie geeignete Katalysatoren, die ausreichende Redox‑Leistung für die Wasserspaltung oder CO₂‑Reduktion bereitstellen.

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Investieren in nachhaltige Innovation

DuPont

DuPont ist ein riesiges Chemieunternehmen mit vielen wichtigen Markenchemikalien, wie Kevlar, Styropor, Nomex (Feuerschutz), Great Stuff (Bauklebstoff) usw. Seine fortschrittliche Polymerforschung und Marken für Schutzmaterialien könnten es in die Lage versetzen, von Doppelnetz‑Metamaterialtechnologien zu profitieren.

DuPont ist ein altes Unternehmen mit einer komplexen Geschichte von Übernahmen und, in jüngerer Zeit, einer Reihe von Ausgliederungen.

Quelle: DuPont

Durch diese Ausgliederungen wurden von DuPont die Abteilungen für Ernährung und Biowissenschaften abgespalten, teilweise an Corteva Biosciences (CTVA -0,95 %) verkauft, Titanprodukte zur Gründung der Chemours Company (CC -1,05 %) und Mobilität.

Im November 2025 wird es sich zudem vom Geschäftsbereich für elektronische Chemikalien trennen, jedoch das Wassergeschäft (Membranen und Filter für Wasseraufbereitung und Entsalzung) beibehalten, entgegen früherer Pläne.

Quelle: DuPont

Damit wird DuPont zu einem deutlich fokussierteren Unternehmen, dessen Kernaktivität in fortschrittlichen Polymeren für Wasseraufbereitung und Schutzausrüstung sowie in fortschrittlichen Materialien für Luft- und Raumfahrt, Gesundheitswesen und Elektrofahrzeuge liegt.

Quelle: DuPont

DuPont ist ein wirklich internationales Unternehmen mit hoher Nachfrage nach Spezialchemikalien in der Wasseraufbereitung und industriellen Fertigung.

Die von DuPont‑Chemikalien bedienten Sektoren sind ebenfalls sehr vielfältig, darunter Bauwesen, Wasseraufbereitung, Elektronikindustrie, Automobil, Luft‑ und Raumfahrt, Gesundheitswesen, grüne Energie und industrielle Produktion.

Quelle: DuPont

Im Hinblick auf künstliche Photosynthese arbeitet das Chemieunternehmen an der Technologie durch Partnerschaften mit der Wissenschaft, insbesondere mit der Penn University.

„Das Ziel dieser gemeinsamen Forschung ist es, ein breit anwendbares Rechenprotokoll zu entwickeln …, um die Auswahl photoaktiver Materialien zu beschleunigen, die Wasser effizient in Wasserstoff und Sauerstoff spalten können.“

Die starke Präsenz von DuPont im Bereich Schutzausrüstung und die etablierte Position der Kevlar‑Marke, einem Hochleistungspolymer, sollten es ermöglichen, neue Formen von Metamaterialien in kommerzielle Produkte zu überführen. Und die Präsenz im Bereich grüner Energie sollte die Kommerzialisierung von Chemikalien für den letztendlichen kommerziellen Prozess der künstlichen Photosynthese unterstützen.

In jedem Fall steigt die Nachfrage nach den von DuPont hergestellten fortschrittlichen Chemikalien, da neue Technologien und der Wasserverbrauch wachsen.

Neueste Dupont (DD) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie referenziert

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, O.S. Lichtinduzierte doppelte Ladungsakkumulation in einer molekularen Verbindung. Nature. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}