Wasserstoff ist derzeit in Mode. Japan will in wenigen Monaten zu den Olympischen und Paralympischen Sommerspielen in Tokio die Fortschritte demonstrieren, die beim Umbau zur Wasserstoffwirtschaft erzielt worden sind. Die Bundesregierung arbeitet an einer nationalen Wasserstoffstrategie. Die Idee: Wasserstoff soll als universaler Energieträger in allen möglichen Anwendungen genutzt werden. Als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge, im Gasnetz oder in industriellen Anwendungen. Die Frage ist aber, woher all der Wasserstoff kommen soll, wie er umweltverträglich gewonnen werden kann.

Ein Forschungskonsortium fordert die Zertifizierung von grünem Wasserstoff. Laut Projektsprecher Patrick Schmidt der einfachste Weg zur Energiewende. Wasserstoff

Viele Szenarien gehen davon aus, dass Wasserstoff vor allem durch Elektrolyse mit Windstrom gewonnen wird. Das gilt insbesondere für Norddeutschland, wo viel Kapazität an Windstrom verfügbar ist. An einem anderen Verfahren arbeiten indes Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) – Zentrum für Material- und Küstenforschung. Sie ahmen den Prozess nach, mit dem Pflanzen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Sie arbeiten also an einem künstlichen Blatt.

Energie aus Elektronen und Lochpaaren

Wir stellen photo-elektro-chemisch aktive Oberflächen her, die wir mit künstlichen Sonnen anstrahlen. An der Halbleiteroberfläche werden dadurch Ladungsträger erzeugt: Elektronen und Lochpaare“, erklärt Thomas Klassen vom HZG. „Die Löcher können Wasser oxidieren. Das heißt, sie nehmen Elektronen auf und spalten dadurch das Wassermolekül. Es entstehen Sauerstoff als O2 und Wasserstoff als positiv geladenes Ion, also als Proton. Das Elektron wird über einen elektrischen Leiter zur anderen Elektrode abgeleitet. Der Wasserstoff diffundiert durch einen Elektrolyten, nimmt an der anderen Elektrode dann das Elektron wieder auf, und es entsteht Wasserstoff.“

Der Prozess ähnelt dem, wie er in einer Pflanze abläuft. Die Pflanze verwertet den Wasserstoff aber weiter: Zusammen mit Kohlendioxid bildet sie daraus langkettige Moleküle wie Zucker, die sie als Nährstoffe zum Wachsen benötigt. Die HZG-Forscher hingegen geben sich mit dem Wasserstoff zufrieden. Das ist aber schon komplex genug.

Den Wundern der Natur auf der Spur
Am Helmholtz-Zentrum Geesthacht forschen Wissenschaftler an einem künstlichen Blatt. Foto: Martin Wolf/golem.de

Die Photoelektrode wird auf einen Silizium-Wafer aufgebaut. Sie besteht aus mehreren Schichten, darunter lichtabsorbierende Halbleiter wie Titandioxid oder Bismutvanadat. In die Schichten wird ein Rillenmuster geätzt, um den Kontakt zum Elektrolyt zu vergrößern und die Lichtabsorption zu verbessern – sprich: um eine möglichst hohe Effizienz zu erzielen.

Dabei sind die Geesthachter Forscher sogar besser als die Natur – wie Sie auf der nächsten Seite erfahren können.

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