Die Photosynthese als biochemischer Prozess ist mehrere Milliarden Jahre alt. Sie ist die Basis des Lebens auf der Erde, wie wir es kennen. In Summe ist sie sehr ineffizient: Nur einen geringen Anteil des Lichts, das auf ein Blatt fällt, wandeln lichtempfindliche Zellkomponenten in chemische Bausteine um. Die ersten Schritte auf dem Weg von der Energie des Lichts zu biologisch verwertbaren Speicherformen sind dagegen sehr effizient. So werden 9 von 10 Photonen innerhalb der sogenannten Lichtsammelfalle in elektrische Energie umgewandelt. Woher diese Effizienz rührt ist nun mit Hilfe der Quantenphysik herausgefunden worden: Bestimmte atomare Zustände erlauben es den Molekülen, die Lichtenergie fast ohne Verlust weiterzugeben. Der Einblick in die sonderbare subatomare Welt eines der wichtigsten natürlichen Prozesses überhaupt ist für die Weiterentwicklung der künstlichen Photosynthese hochinteressant. Denn er erlaubt es, einen Schritt weiter zu denken in Richtung einer Energieumwandlung, die den Energiebedarf der Menschen ressourcenschonend decken könnte.
Photosynthese – über Jahrmillionen optimiert
Die ersten lebenden Organismen auf der Erde waren Einzeller mit der Fähigkeit zur Photosynthese, die Cyanobakterien. Auf 3,5 Milliarden Jahre schätzt man ihr frühestes Vorkommen – so lange also schon ist die Photosynthese unter Selektionsdruck optimiert worden. Pflanzen, Algen und — immer noch — Cyanobakterien gewinnen durch Photosynthese die Energie, die sie zum Leben brauchen und mit der sie alle anderen Organismen auf diesem Planeten mit Nahrung versorgen. Unter Zufuhr von Wasser und Kohlenstoff wandeln sie Licht in Kohlenstoffbausteine um, die sie für das Wachstum verwenden. Als Nebenprodukt entsteht dabei Sauerstoff, der an die Umgebung abgegeben wird. Dieser Prozess findet in allen grünen Pflanzenteilen statt, also in allen Zellen, in denen sich Chloroplasten befinden. Insgesamt ist der Wirkungsgrad der Photosynthese sehr gering: In der Natur, wo diffuse Strahlung ebenso wie direkte Strahlung in allen Wellenlängen auf das Blatt treffen, wandelt eine Pflanze etwa netto zwei Prozent der Lichtenergie in chemische Energie um. Denn ein Großteil des Sonnenlichts kann von den lichtempfindlichen Molekülen gar nicht aufgenommen werden und würde die Blattzellen auch zerstören. Unter Laborbedingungen, wo man die Pflanze mit dem für sie optimalen roten Licht mit Wellenlängen von 680 und 700 nm bestrahlen kann, liegt der Nettowirkungsgrad bei immerhin 30 Prozent.
Energietransfer in der Lichtsammelfalle
Fällt Licht auf ein Blatt, stoßen Photonen hier auf Chlorophyll und andere Moleküle, die sie in ein höheres Energieniveau versetzen können. Die Moleküle bilden strukturierte Komplexe, die zur sogenannten Lichtsammelfalle zusammengefasst sind. Da die Moleküle dazu tendieren, stets wieder auf ihr energetisches Ursprungsniveau zurückzufallen, geben sie die Energie lieber an ihre Nachbarn ab anstatt zu lange in einem angeregten Zustand zu bleiben. Sie tendieren also dazu, die Lichtenergie innerhalb des Lichtsammelkomplexes weiterzugeben. In der Weitergabe der Energie auf kleinster Ebene steckt ihre Umwandlung. Normalerweise ist eine Umwandlung von Energie immer mit Verlusten in Form von abgegebener Wärmeenergie verbunden. In diesem Fall aber werden neun von zehn auftreffenden Photonen in elektrische Energie umgewandelt. Von der geringen Lichtmenge, die überhaupt vom Blatt für die Energiegewinnung genutzt wird, ist die Ausbeute in diesem ersten Schritt also ungewöhnlich hoch.
Schrödingers Katze in der Lichtsammelfalle?
Die Art und Weise, in der die Moleküle ihre Energie an ihre Nachbarn abgeben, war lange eine Art Blackbox: Man wusste, dass dabei nur wenig Energie innerhalb des Lichtsammelkomplexes verloren geht, konnte aber nicht erklären, warum. Schritt für Schritt wurde Licht ins Dunkel der Blackbox gebracht, bis noch die atomare Ebene zu beobachten blieb. Deshalb ist die Photosynthese vor einigen Jahrzehnten zum Forschungsgegenstand für Quantenphysiker geworden. Sie beschreiben mathematisch auf der Grundlage der Quantentheorie das, was die klassische Physik nicht hergibt: Die Zustände und Bewegungsmuster von Atomen. Verschiedene Wissenschaftler konnten die sonderbaren Zustände von Molekülen im Lichtsammelkomplex so beschreiben: Ebenso wie die Katze in Erwin Schrödingers quantenmechanischem Gedankenexperiment tot und gleichzeitig lebendig ist, befinden sich Chlorophylle und andere Moleküle in einer grünen Pflanzenzelle während der Photosynthese in zwei verschiedenen Anregungszuständen gleichzeitig. Auffällig an dieser Beobachtung war, dass sie sich sehr lang in diesem Zustand befanden. Denn Quantenzustände werden normalerweise sehr rasch zerstört. Mit mehreren hundert Femtosekunden aber dauerte der Zustand hier länger an als es normalerweise üblich ist. In der Natur passiert nichts ohne Grund. Deshalb drängte sich die Frage auf, warum die Quantenzustände hier so lange aufrecht erhalten werden. Könnten sie mit dem effizienten Energietransfer innerhalb des Lichtsammelkomplexes in Verbindung stehen? Könnten also lang andauernde Quanteneffekte einen Energietransfer effizient machen?
Vibrierende Molekülkomplexe
Einer Kooperation aus sechs europäischen Forschungsgruppen gelang es kürzlich zu identifizieren, was es ist, das den Quantenzustand so lange aufrecht erhält. Und somit identifizierten sie auch den Ursprung der hohen Effizienz des Energietransfers: Vibronische Anregungen. Da man in einer lebenden Zelle nicht mit Quanteneffekten experimentieren kann, untersuchten sie die Prozesse an einer künstlich hergestellten Lichtsammelfalle, einem System aus Cyaninfarbstoff-Molekülen. Sie nutzten für ihre Experimente die Phonotik-Labore der TU Wien. Mit ihren Untersuchungen konnten sie experimentell und theoretisch bestätigen, dass es die Vibrationen der Moleküle gegeneinander sind, die den quantenmechanischen Zustand aufrecht erhalten. Sie koppeln verschiedene elektronische Zustände miteinander. So sorgen die sogenannten vibronischen Anregungen dafür, dass die Lichtenergie schnell und nahezu verlustfrei weitergegeben wird.
Künstliche Photosynthese
Mit ihrer Untersuchung stellen die europäischen Wissenschaftler die quantenmechanische Grundlage dafür zur Verfügung, den Energietransfer in der künstlichen Photosynthese effizienter zu gestalten. Entwickler können dieses Wissen nutzen, um vibronische Anregungen beim Bau von Photozellen zu berücksichtigen. Bisher sind solche organischen Photozellen noch nicht marktreif, weil sie zum einen sehr teure Komponenten enthalten. Zum anderen sind sie längst noch nicht so effizient wie konventionelle Solaranlagen, die einen Wirkungsgrad von 60 Prozent haben. Ist es darüber hinaus mit diesem Wissen auch möglich, den Wirkungsgrad der natürlichen Photosynthese insgesamt zu steigern? Könnten vibronische Anregungen in anderen Schritten der Energieumwandlung künstlich hervorgerufen werden? Oder brächte man damit den über Jahrmillionen optimierten Prozess der Photosynthese so sehr aus dem Gleichgewicht, dass er nicht mehr funktionieren würde? Auch, wenn hier noch viele Fragen offen sind – der Entwicklung effizienter künstlicher Photosynthese ist die Wissenschaft nun einen Schritt nähergekommen.
Originalpublikation
Lim et al. (2015): Vibronic origin of long-lived coherence in an artificial molecular light harvester. In: Nature Communications 6: 7755 (9. Juli 2015), doi:10.1038/ncomms8755. Quelle: Pflanzenforschung.de
