28 Künstliche photosynthetische Antennen: Ein wichtiger Schritt zur Nutzung der Sonnenenergie

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24. September 2001

Ein ungelöstes Rätsel der Natur ist nach wie vor deren Fähigkeit, die Energie des Sonnenlichts sinnvoll und effizient zu nutzen. Die Photosynthese der Pflanzen ist Grundlage des vielfältigen Lebens. Ihren Mechanismus zu ergründen, weckt Hoffnung auf neue Wege der Umwandlung von Lichtenergie in nutzbare Energieformen. Weltweit wird daran gearbeitet, die Photosyntheseabläufe zu verstehen. Im Rahmen der Jahrestagung Chemie 2001 der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) vom 23. bis 29. September in Würzburg werden auch hierzu neueste Forschungsergebnisse vorgestellt.

Professor Dr. Kurt Schaffner vom Max-Planck-Institut für Strahlenchemie in Mülheim/Ruhr wird für seine Arbeiten mit der Theodor-Förster-Gedächtnisvorlesung ausgezeichnet. Seine wegweisenden Untersuchungen betreffen u.a. die Lichtsammelzentren der Photosynthese in Algen, grünen Bakterien und höheren Pflanzen. Der höchst komplexe Photosyntheseapparat der Pflanzen besteht im wesentlichen aus Lichtsammelantennen und Reaktionszentren. Die Antennen absorbieren Licht und beschaffen damit die für den ersten Schritt der Photosynthese erforderliche Energie. Sie wird an die Reaktionszentren weitergeleitet, wo sie die photochemische Synthese mit einer Ladungstrennung einleitet. Bei diesen drei Vorgängen - Lichtabsorption, Lichtenergietransfer und Ladungstrennung - spielen Chlorophylle, die Moleküle, die die grüne Farbe hervorrufen, die Hauptrolle. Voraussetzung für den Lichtenergietransfer ist, dass die Chlorophylle räumlich optimal angeordnet sind. Sie werden durch Anbindung an Proteinmatrizen fixiert (Chlorophyll/Proteinkomplexe).

Man versucht nun, die Funktionen des Photosyntheseapparates im Reagenzglas nachzuahmen, indem man sich Moleküle zu supramolekularen Systemen organisieren lässt. Das gelingt mit Bacteriochlorophyll-Molekülen, die auch in der Natur, ohne jede Hilfestellung durch Proteine, wohldefinierte stäbchenförmige Aggregate als Lichtsammelantennen ausbilden. Um diese künstlich nachzubilden, muss es auch gelingen, zusätzliche Verbindungen einzuschleusen, die als Lichtenergieempfänger, Elektronenspender und Elektronenempfänger fungieren. Das ist jetzt erstmalig geglückt: zwei leicht zu synthetisierende Verbindungen, ein Zinkchlorin und eine Bacteriochlorin-Fulleren-Kombination, zusammen mit einem Detergenz in Wasser eingetragen, übernehmen diese Aufgaben.

Die Zinkchlorine führen, wie in der Natur die Bacteriochlorine, gleich drei Funktionen aus: sie schliessen sich zu den stäbchenförmigen Aggregaten zusammen, sie absorbieren das Licht und leiten dessen Energie an die Bacteriochlorin-Fulleren-Kombination weiter, die als solche unter den vorgegebenen Bedingungen allein nicht zu aggregieren vermag, aber glatt in die Zinkaggregate eingeschleußt wird. Die Bacteriochlorin-Komponente dient als Empfänger der Lichtenergie und gibt anschließend ein Elektron an die Fulleren-Komponente ab. Das Ergebnis ist ein selbst-organisiertes künstliches Photosystem, das nach Einstrahlung von Tageslicht eine chemisch hochreaktive Endphase, also einen ladungsgetrennten Zustand, von relativ langer Lebensdauer (mehrere Nanosekunden) ausbildet. Dieser große experimentelle Erfolg wird z.Zt. weiter optimiert und soll mit einer nutzbringenden Anwendung gekoppelt werden.

Aus dem ladungsgetrennten Zustand heraus sollen chemische Prozesse angestoßen werden, z.B. sind chemische Schalterfunktionen denkbar. Ferner können unter Dauerlichteinwirkung photochemische Reaktionen ausgelöst werden, die Produkte bilden, die mittels Photoelektronentransfer in herkömmlichen Systemen nur unter Einsatz aufwendiger Lichtquellen zugänglich sind.