Die ultradünnen, flexiblen Geräte, die sich von natürlichen photosynthetischen Blättern inspirieren lassen, sind die Erfindung des Chemikers Dr. Virgil Andrei und seiner Kollegen. Die Forscher testeten ihre Prototypen am Fluss Cam, in der Nähe so berühmter Orte in Cambridge wie der Seufzerbrücke, der Wren Library und der King’s College Chapel. Sie zeigten, dass die Geräte Sonnenlicht genauso effizient in Kraftstoff umwandeln können wie Pflanzenblätter in der Natur.
Dies, so das Team, sei das erste Mal, dass sauberer Kraftstoff auf Wasser erzeugt worden sei.
Sie stellen sich die kostengünstigen, autonomen Geräte vor, die massenhaft auf See, in Häfen oder sogar auf verschmutzten Wasserstraßen eingesetzt werden.
Auf diese Weise könnten die künstlichen Blätter eine nachhaltige Benzinalternative produzieren, ohne Platz an Land zu beanspruchen.
Die Geräte könnten sogar dazu beitragen, die Abhängigkeit der globalen Schifffahrtsindustrie von fossilen Brennstoffen zu verringern.
Derzeit werden rund 80 Prozent des Welthandels in Frachtschiffen transportiert, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden – aber der Sektor hat in den Diskussionen über die Klimakrise wenig Aufmerksamkeit erregt.
Ein Teil des Problems besteht darin, dass sich die Entwicklung erneuerbarer Energietechnologien wie Wind- und Solarenergie nicht gut auf Branchen wie die Schifffahrt übertragen lässt, für die die Dekarbonisierung schwieriger ist.
Seit mehreren Jahren versucht die in Cambridge ansässige Forschungsgruppe, dieses Problem anzugehen, indem sie nachhaltige Kraftstoffe entwickelt, die mit Methoden hergestellt werden, die auf den Prinzipien der Photosynthese basieren.
Bereits 2019 gelang es dem Team, ein künstliches Blatt zu entwickeln, das in der Lage ist, sogenanntes Synthesegas herzustellen – ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Herstellung vieler verschiedener Chemikalien und Pharmazeutika –, wobei nur Kohlendioxid, Sonnenlicht und Wasser als Zutaten verwendet werden.
Dieses frühe Konzept erzeugte Kraftstoff, indem es zwei Lichtabsorber mit Katalysatoren kombinierte – wurde jedoch durch seine dicken Glassubstrate und Feuchtigkeitsschutzbeschichtungen enttäuscht, wodurch es ziemlich sperrig wurde.
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Für das neue, leichte, schwebende Design ließ sich das Team von den Miniaturisierungstechniken inspirieren, die von der Elektronikindustrie verwendet werden, um so schlanke Technologien wie Smartphones und flexible Displays herzustellen.
Um Lichtabsorber auf leichten Substraten abzuscheiden, verwendete das Team Dünnfilm-Metalloxide und Materialien namens Perowskite, die auf flexible Kunststoff- und Metallfolien aufgetragen werden können.
Als nächstes schützten sie die Blätter vor dem Eindringen von Wasser, indem sie sie mit mikrometerdünnen Kohlenstoffschichten bedeckten.
Dr. Andrei sagte: „Diese Studie zeigt, dass künstliche Blätter mit modernen Herstellungstechniken kompatibel sind, was einen frühen Schritt in Richtung Automatisierung und Hochskalierung der Produktion von Solarbrennstoffen darstellt.
„Diese Blätter vereinen die Vorteile der meisten Solarbrennstofftechnologien, da sie das geringe Gewicht von Pulversuspensionen und die hohe Leistung von kabelgebundenen Systemen erreichen.“
Laut den Forschern sind Verfeinerungen erforderlich, bevor ihre künstlichen Blätter für kommerzielle Anwendungen hergestellt werden können – aber der neueste Prototyp eröffnet bereits neue Wege in ihrer Arbeit.
Dr. Andrei sagte: „Solarparks sind für die Stromerzeugung populär geworden; Wir stellen uns ähnliche Farmen für die Kraftstoffsynthese vor.
„Diese könnten Küstensiedlungen, abgelegene Inseln versorgen, Industrieteiche bedecken oder die Wasserverdunstung aus Bewässerungskanälen verhindern.“
Prof. Reisner schloss: „Viele erneuerbare Energietechnologien, einschließlich Solarbrennstofftechnologien, können große Flächen an Land beanspruchen, daher würde eine Verlagerung der Produktion auf offene Gewässer bedeuten, dass saubere Energie und Landnutzung nicht miteinander konkurrieren.
„Theoretisch könnte man diese Geräte zusammenrollen und fast überall in fast jedem Land aufstellen, was auch zur Energiesicherheit beitragen würde.“
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.