Forscher helfen Blaualgen auf die Sprünge: Grüner Wasserstoff rückt näher

Grüner Wasserstoff gilt als wichtiger Baustein für eine klimafreundliche Industrie. Winzige Blaualgen könnten ihn eines Tages direkt aus Sonnenlicht und Wasser herstellen. Bislang standen sie sich dabei jedoch selbst im Weg: Der Sauerstoff, den die Mikroorganismen bei der Photosynthese produzieren, legt ausgerechnet jene Enzyme lahm, die den Wasserstoff erzeugen.

Ein internationales Forschungsteam hat nun einen Weg gefunden, diesen Widerspruch zu umgehen. Wissenschaftler der Universität Kassel, der Ruhr-Universität Bochum und der Universidade Nova Lissabon entwickelten ein System, das die empfindlichen Enzyme vor Sauerstoff schützt. Die Ergebnisse erschienen im Fachmagazin Angewandte Chemie International Edition.

Ein biologischer Widerspruch bremste die Technik lange aus

Cyanobakterien, oft auch Blaualgen genannt, gehören zu den ältesten Lebensformen der Erde. Sie nutzen Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid zur Energiegewinnung. Dabei entsteht Sauerstoff. Unter bestimmten Bedingungen können sie außerdem Wasserstoff erzeugen.

Doch dabei ergibt sich ein Problem. Die sogenannten Hydrogenasen übernehmen die Wasserstoffproduktion. Diese Enzyme reagieren jedoch äußerst empfindlich auf Sauerstoff. Schon kleine Mengen reichen aus, um ihre Aktivität stark zu verringern. Die Forscher beschreiben diesen Konflikt als die größte Hürde des Verfahrens.

Eine Schutzschicht hält Sauerstoff von den Enzymen fern

Für die neue Lösung bettete das Team die Cyanobakterien in ein spezielles Polymer ein. Dieses Material umgibt die Zellen wie eine schützende Hülle.

Sobald eine elektrische Spannung angelegt wird, entfernt das Polymer Sauerstoff direkt in der Umgebung der Mikroorganismen. Die Wissenschaftler sprechen von einer sauerstofffreien Mikroumgebung. Die Zellen können weiter Photosynthese betreiben. Die empfindlichen Enzyme bleiben trotzdem aktiv.

Das Besondere daran: Die Forscher mussten die Photosynthese nicht abschalten oder verlangsamen. Die Cyanobakterien erzeugten weiterhin Sauerstoff. Das Schutzsystem entfernte ihn jedoch unmittelbar dort, wo er störte.

Grüner Wasserstoff entsteht direkt aus Sonnenlicht und Wasser

Frühere Verfahren nutzten oft zusätzliche Stoffe wie Glukose, um Sauerstoff zu beseitigen. Das brachte jedoch neue Probleme mit sich. Die Mikroorganismen verbrauchen die Glukose selbst. Dadurch stammen die Elektronen für die Wasserstoffproduktion nicht mehr ausschließlich aus Wasser und Sonnenlicht.

Der neue Ansatz kommt ohne solche Zusätze aus. Nach Einschätzung der Forscher stammen die Elektronen für die längere Wasserstoffproduktion deshalb direkt aus der Wasserspaltung während der Photosynthese. Für die Energieforschung ist das ein wichtiger Punkt. Langfristig soll grüner Wasserstoff möglichst nachhaltig entstehen. Zusätzliche Energiequellen oder Rohstoffe würden diesen Vorteil schmälern.

Genetisch veränderte Blaualgen liefern deutlich bessere Ergebnisse

Besonders erfolgreich waren genetisch angepasste Cyanobakterien. Die Wissenschaftler verbanden die Wasserstoff-Enzyme direkt mit dem Photosystem I der Photosynthese.

Dadurch gelangten die energiereichen Elektronen schneller an ihr Ziel. Zudem verbrauchten die Zellen weniger des erzeugten Wasserstoffs wieder selbst. Die Unterschiede fielen deutlich aus:

• Bei normalen Cyanobakterien sank das Wasserstoffsignal innerhalb von 1000 Sekunden um mehr als 75 Prozent.
• Bei den optimierten Mikroorganismen verringerte sich das Signal nach 2500 Sekunden lediglich um 15 Prozent.

Die Wasserstoffproduktion blieb also wesentlich länger stabil.

Auch ein weiteres Risiko prüfte das Team sorgfältig

Bei der elektrochemischen Entfernung von Sauerstoff kann Wasserstoffperoxid entstehen. Dieser Stoff kann Zellen schädigen. Deshalb untersuchten die Forscher diesen Punkt gesondert. Die Messungen ergaben lediglich minimale Mengen. Das gemessene Signal lag bei nur 0,2 Nanoampere.

Eine relevante Belastung der Cyanobakterien konnten die Wissenschaftler nicht feststellen. Das Schutzsystem entfernte den Sauerstoff somit wirksam, ohne neue größere Probleme zu verursachen.

Blaualgen könnten künftig als kleine Energiefabriken dienen

Die Forscher sehen in ihrem Ansatz einen wichtigen Schritt hin zu sogenannten biophotovoltaischen Systemen. Solche Anlagen sollen Sonnenlicht mithilfe lebender Organismen direkt in Wasserstoff umwandeln. Lebende Zellen besitzen dabei einen Vorteil gegenüber isolierten Enzymen. Sie können Schäden selbst reparieren und über lange Zeit funktionsfähig bleiben.

In der Studie schreiben die Autoren, die Ergebnisse hätten eine „anhaltende Wasserstoffproduktion mit Cyanobakterien“ bestätigt. Nun wollen sie das Verfahren weiter verbessern und größere Systeme entwickeln.

Bis zu einer industriellen Anwendung dürfte noch einige Zeit vergehen. Die neue Arbeit zeigt jedoch, dass ein altes Problem der biologischen Wasserstoffproduktion lösbar sein könnte. Damit rückt die Vorstellung näher, Sonnenlicht, Wasser und winzige Blaualgen eines Tages für die Herstellung von grünem Wasserstoff zu nutzen.

Kurz zusammengefasst:

• Blaualgen können mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen, doch der dabei entstehende Sauerstoff blockiert die dafür nötigen Enzyme und bremst den Prozess aus.
• Ein neues Schutzsystem entfernt den Sauerstoff direkt in der Umgebung der Zellen, sodass die Wasserstoffproduktion deutlich länger aktiv bleibt und weiterhin nur Sonnenlicht und Wasser als Energiequelle nutzt.
• Genetisch optimierte Cyanobakterien arbeiteten besonders effizient: Ihr Wasserstoffsignal sank nach 2500 Sekunden nur um 15 Prozent, während es bei normalen Zellen nach 1000 Sekunden bereits um mehr als 75 Prozent zurückging.

Übrigens: Nicht nur die Herstellung von grünem Wasserstoff stellt Forscher vor Herausforderungen. Auch die Materialien in den Elektrolyseuren treiben die Kosten nach oben – nun könnte eine neue Beschichtung aus Titanoxid teure Metalle wie Titan teilweise ersetzen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Lamiot via Wikimedia unter CC BY-SA 3.0