Wasserstoff ohne Elektrolyse: Licht und flüssiges Metall machen Meerwasser zur Energiequelle

Grüner Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger für Industrie, Verkehr und Energieversorgung. Doch bislang führt kaum ein Weg an der Elektrolyse vorbei – also an Anlagen, die Wasser mit viel Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen. Das ist technisch bewährt, aber teuer und extrem energieintensiv. In Sydney erproben Chemiker ein Verfahren, bei dem Licht auf flüssiges Gallium trifft – und aus Meerwasser Wasserstoff entsteht.

In einer aktuellen Studie berichten Chemiker der University of Sydney über dieses Verfahren. Es kommt ohne klassische Elektrolyseanlagen aus. Statt elektrischen Strom nutzen sie Licht – entweder Sonnenlicht oder künstliche Beleuchtung. Das eingesetzte Metall reagiert mit Süß- oder Meerwasser und lässt sich anschließend wieder aufbereiten. So entsteht ein technischer Kreislauf, in dem derselbe Rohstoff mehrfach verwendet wird.

Wie Licht und Gallium Wasserstoff erzeugen

Gallium ist ein ungewöhnliches Metall. Es schmilzt bereits bei rund 29 Grad Celsius und wird damit knapp oberhalb der Raumtemperatur flüssig. In diesem Zustand bildet es silbrig glänzende Tropfen mit einer glatten, reaktionsfreudigen Oberfläche. Das macht Gallium technisch so attraktiv.

Die Forschenden verteilen winzige Gallium-Partikel in Süß- oder Meerwasser. Trifft Licht auf die Tropfen, erwärmen sie sich rasch. Gleichzeitig verändert sich ihre Oberfläche. Die dünne Oxidschicht bricht auf, das Metall kommt erneut mit Wasser in Kontakt. Gallium reagiert, es entsteht Gallium-Oxyhydroxid – und Wasserstoff wird frei.

„Wir haben nun eine Möglichkeit, nachhaltigen Wasserstoff mit Meerwasser zu gewinnen, das leicht zugänglich ist, und dabei ausschließlich auf Licht für die Produktion von grünem Wasserstoff zu setzen,“ sagt Luis Campos, der Autor der Studie.

Der entscheidende Punkt: Das Licht sorgt nicht nur für Wärme. Es beeinflusst auch die dünne Oxidschicht auf der Metalloberfläche. Diese Schicht bricht auf, sodass die Reaktion kontinuierlich weiterlaufen kann. Ohne diesen Effekt würde das Metall schnell passiv werden.

12,9 Prozent Effizienz im ersten Test

Im Labor erreichte das System eine maximale Effizienz von 12,9 Prozent. Das bedeutet: Rund 12,9 Prozent der eingestrahlten Energie werden in chemische Energie des Wasserstoffs umgewandelt. „Für einen ersten Machbarkeitsnachweis halten wir die Effizienz dieser Technologie für sehr wettbewerbsfähig“, sagt Projektleiter Kourosh Kalantar-Zadeh.

Zum Vergleich verweist er auf die Anfänge der Photovoltaik: „Siliziumbasierte Solarzellen starteten in den 1950er-Jahren mit sechs Prozent und überschritten erst in den 1990er-Jahren die Marke von zehn Prozent.“

Ein Kreislauf statt Verbrauch

Nach der Reaktion bleibt Gallium-Oxyhydroxid zurück. Anders als bei vielen chemischen Prozessen endet hier jedoch nichts als Abfall.

„Nachdem wir Wasserstoff gewonnen haben, kann das Gallium-Oxyhydroxid wieder zu Gallium reduziert und für die künftige Wasserstoffproduktion wiederverwendet werden – wir nennen das einen Kreislaufprozess“, sagt Professor Kalantar-Zadeh. Das Metall bleibt also im System. Es wird nicht verbraucht, sondern zirkuliert.

Warum Wasserstoff aus Meerwasser strategisch so interessant ist

Viele Verfahren zur Wasserstoffherstellung benötigen gereinigtes Wasser. Das verursacht Kosten und erfordert zusätzliche Infrastruktur. Der neue Ansatz funktioniert mit Süß- und Meerwasser. Das erweitert die Perspektive. Küstenregionen verfügen über große Mengen Meerwasser. Eine aufwendige Entsalzung ist hier nicht nötig.

„Wasserstoff bietet eine saubere Energielösung für eine nachhaltige Zukunft und könnte eine zentrale Rolle für Australiens internationalen Vorteil in einer Wasserstoffwirtschaft spielen“, erklärt Projekt-Co-Leiter Dr. Francois Allioux.

Unterschied zur klassischen Elektrolyse

Bei der Elektrolyse wird Wasser mit elektrischem Strom gespalten. Das neue Verfahren nutzt stattdessen die photothermische Eigenschaft von Gallium. Licht erzeugt Wärme und aktiviert zugleich die Metalloberfläche.

„Gallium wurde bisher nicht als Möglichkeit untersucht, bei Kontakt mit Wasser hohe Wasserstoffraten zu erzeugen – eine einfache Beobachtung, die zuvor übersehen wurde“, so Professor Kalantar-Zadeh. Die Temperatur bleibt vergleichsweise niedrig. Es sind keine extremen Bedingungen nötig. Das reduziert den technischen Aufwand.

Nächster Schritt: Größere Anlagen

Im Labor funktioniert das Verfahren. Nun soll es größer werden. Das Team plant einen Reaktor im mittleren Maßstab, um die Technik unter realistischeren Bedingungen zu testen. Gleichzeitig arbeiten die Forschenden daran, die Effizienz weiter zu steigern.

Das Ziel ist klar: „Es besteht weltweit Bedarf, ein hocheffizientes Verfahren zur Produktion von grünem Wasserstoff zu kommerzialisieren. Unser Prozess ist effizient und lässt sich leicht skalieren“, sagt Professor Kalantar-Zadeh.

Ob sich das Konzept industriell durchsetzt, hängt von mehreren Faktoren ab: Kosten, Stabilität im Dauerbetrieb und Konkurrenz durch bestehende Elektrolyseverfahren.

Kurz zusammengefasst:

• In einer Studie der University of Sydney entsteht Wasserstoff aus Meerwasser durch Licht und flüssiges Gallium – ganz ohne klassische Elektrolyse und mit einer Labor-Effizienz von 12,9 Prozent.
• Gallium schmilzt bereits bei etwa 29 °C, reagiert unter Lichteinwirkung mit Süß- oder Meerwasser und setzt Wasserstoff frei; das entstehende Gallium-Oxyhydroxid lässt sich wieder zu Metall reduzieren.
• Das Verfahren arbeitet als Kreislauf, benötigt keine extremen Temperaturen und könnte bei weiterer Effizienzsteigerung eine zusätzliche Option für die Produktion von grünem Wasserstoff werden.

Übrigens: Ähnlich wie beim neuen Verfahren mit Licht und flüssigem Gallium setzen auch Forschende in Kiel auf Meerwasser als direkte Energiequelle – allerdings mit Mikroben an Offshore-Windparks. Wie Bakterien, Titanstrukturen und überschüssiger Windstrom gemeinsam grünen Wasserstoff erzeugen sollen, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Philip Ritchie