Erzeugung von "grüner" Energie - im wahrsten Sinne des Wortes - aus lebenden pflanzlichen "Bio-Solarzellen"

Wissenschaftler nutzen Photosynthese zur Stromerzeugung

15.12.2022 - USA

Obwohl Pflanzen als Nahrungs-, Sauerstoff- und Dekorationsquelle dienen können, werden sie nicht oft als gute Stromquelle angesehen. Doch durch das Sammeln von Elektronen, die auf natürliche Weise in Pflanzenzellen transportiert werden, können Wissenschaftler im Rahmen einer "grünen" biologischen Solarzelle Strom erzeugen. Jetzt haben Forscher, die in ACS Applied Materials & Interfaces berichten, zum ersten Mal eine Sukkulentenpflanze verwendet, um eine lebende "Bio-Solarzelle" zu schaffen, die mit Photosynthese arbeitet.

In allen lebenden Zellen, von Bakterien und Pilzen bis hin zu Pflanzen und Tieren, werden im Rahmen natürlicher biochemischer Prozesse Elektronen hin- und hergeschoben. Wenn jedoch Elektroden vorhanden sind, können die Zellen tatsächlich Strom erzeugen, der extern genutzt werden kann. Frühere Forscher haben auf diese Weise Brennstoffzellen mit Bakterien hergestellt, aber die Mikroben mussten ständig gefüttert werden. Stattdessen haben die Wissenschaftler, darunter auch das Team von Noam Adir, die Photosynthese zur Stromerzeugung genutzt. Bei diesem Prozess treibt das Licht einen Elektronenfluss aus dem Wasser an, der schließlich zur Erzeugung von Sauerstoff und Zucker führt. Das bedeutet, dass lebende photosynthetische Zellen ständig einen Strom von Elektronen produzieren, der als "Photostrom" abgezogen und zur Versorgung eines externen Stromkreises verwendet werden kann, genau wie eine Solarzelle.

Bestimmte Pflanzen - wie die Sukkulenten in trockenen Gebieten - haben dicke Häutchen, um Wasser und Nährstoffe in ihren Blättern zu halten. Yaniv Shlosberg, Gadi Schuster und Adir wollten zum ersten Mal testen, ob die Photosynthese in Sukkulenten Strom für lebende Solarzellen erzeugen kann, indem sie ihr internes Wasser und ihre Nährstoffe als Elektrolytlösung einer elektrochemischen Zelle verwenden.

Die Forscher schufen eine lebende Solarzelle mit der Sukkulente Corpuscularia lehmannii, auch "Eispflanze" genannt. Sie setzten eine Eisenanode und eine Platinkathode in eines der Blätter der Pflanze ein und stellten fest, dass die Spannung 0,28 V betrug. Angeschlossen an einen Stromkreis erzeugte sie bei Lichteinfall eine Fotostromdichte von bis zu 20 µA/cm2 und konnte über einen Tag lang Strom produzieren. Obwohl diese Werte unter denen einer herkömmlichen Alkalibatterie liegen, sind sie repräsentativ für nur ein einziges Blatt. Frühere Studien über ähnliche organische Geräte deuten darauf hin, dass die Spannung erhöht werden kann, wenn mehrere Blätter in Reihe geschaltet werden. Das Team hat die lebende Solarzelle speziell so konzipiert, dass Protonen in der internen Blattlösung kombiniert werden können, um an der Kathode Wasserstoffgas zu bilden, das aufgefangen und für andere Anwendungen genutzt werden kann. Die Forscher sagen, dass ihre Methode die Entwicklung zukünftiger nachhaltiger, multifunktionaler grüner Energietechnologien ermöglichen könnte.

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