Künstliche Photosynthese Molekül soll Kraft der Sonne für grüne Treibstoffe nutzbar machen

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Geladen und bereit für verschiedenste chemische Reaktionen: Ein neues Molekül von Chemikern der Uni Basel bewegt sich auf den Spuren der Photosynthese und macht Lichtenergie für die Herstellung CO₂-neutraler Treibstoffe nutzbar. Das Besondere: Es speichert insgesamt vier elektrische Ladungen gelichzeitig.

Pflanzen nutzen die Energie des Sonnenlichts, um CO₂ in energiereiche Zuckermoleküle umzuwandeln. Diese Photosynthese ist die Grundlage praktisch allen Lebens: Tiere und Menschen können die so produzierten Kohlenhydrate wieder „verbrennen“ und die darin gespeicherte Energie nutzen. Dabei entsteht wieder Kohlendioxid, der Kreislauf schließt sich.

Dieses Vorbild könnte auch der Schlüssel zu umweltfreundlichen Treibstoffen sein: Forschende arbeiten daran, die natürliche Photosynthese zu imitieren und mit Sonnenlicht energiereiche Verbindungen herzustellen: so genannte Solartreibstoffe wie Wasserstoff, Methanol oder synthetisches Benzin. Werden sie verbrannt, entsteht nur so viel Kohlendioxid, wie zur Produktion der Treibstoffe gebraucht wurde – sie wären also CO₂-neutral.

CO2-Recycling

Künstliche Photosynthese: Forscher entwickeln „Draht“ zur Sonnenenergie

Ladung Lagern in zwei Seiten des Moleküls

Prof. Dr. Oliver Wenger von der Universität Basel und sein Doktorand Mathis Brändlin berichten nun von einem wichtigen Zwischenschritt hin zu dieser Vision einer künstlichen Photosynthese: Sie haben ein besonderes Molekül entwickelt, das unter Lichteinstrahlung vier Ladungen gleichzeitig speichern kann – je zwei positive und zwei negative.

Das zwischenzeitliche Lagern von mehreren Ladungen ist eine wichtige Voraussetzung, um Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln: Die Ladungen lassen sich nutzen, um Reaktionen anzutreiben – etwa um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.

Das von den Forschern untersuchte Molekül besteht aus fünf Teilen, die in einer Reihe verknüpft sind und jeweils eine bestimmte Aufgabe erfüllen. Auf der einen Seite des Moleküls sitzen zwei Teile, die Elektronen abgeben und dabei positiv geladen werden. Zwei Bausteine auf der anderen Seite nehmen die Elektronen auf und werden dadurch negativ geladen. In der Mitte platzierten die Chemiker einen Baustein, der Sonnenlicht einfängt und die Reaktion (die Elektronenübertragung) startet.

Anregung mit deutlich schwächerem Licht möglich

Um die vier Ladungen zu erzeugen, gingen die Forscher schrittweise mit zwei Lichtblitzen vor. Der erste Lichtblitz trifft auf das Molekül und löst eine Reaktion aus, bei der eine positive und eine negative Ladung entstehen. Diese Ladungen wandern jeweils nach außen an die gegenüberliegenden Enden des Moleküls. Beim zweiten Lichtblitz geschieht die gleiche Reaktion nochmal, sodass das Molekül nun zwei positive und zwei negative Ladungen enthält.

„Diese schrittweise Anregung erlaubt es, deutlich schwächeres Licht zu nutzen. Wir bewegen uns damit schon in der Nähe der Stärke von Sonnenlicht“, erklärt Doktorand Brändlin. In früheren Forschungsarbeiten war extrem starkes Laserlicht nötig, was weit von der Vision einer künstlichen Photosynthese entfernt war. „Außerdem bleiben die Ladungen im Molekül lange genug stabil, um sie für weitere chemische Reaktionen zu nutzen.“

Zwar ist mit dem neuen Molekül noch kein funktionierendes künstliches Photosynthese-System geschaffen. „Aber wir haben ein wichtiges Puzzleteil identifiziert und realisiert“, sagt Forschungsleiter Wenger. Die neuen Erkenntnisse aus der Studie tragen dazu bei, die für die künstliche Photosynthese zentralen Elektronentransfers besser zu verstehen. „Wir hoffen, damit zu neuen Perspektiven für eine nachhaltige Energiezukunft beizutragen“, ergänzt der Wissenschaftler.

Originalpublikation: Mathis Brändlin, Björn Pfund, Oliver S. Wenger: Photoinduced Double Charge Accumulation in a Molecular Compound, Nature Chemistry (2025); DOI: 10.1038/s41557-025-01912-x

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