Nanofabriken für grünen Wasserstoff

Wasserstoff gilt als ein wichtiger Baustein der Energiewende: In Zukunft soll er als klimafreundlicher Treibstoff fungieren und die Herstellung von grünem Stahl ermöglichen. Dafür muss er CO₂-frei hergestellt werden, etwa indem Wasser durch Solarstrom gespalten wird.

Ein DESY-Team arbeitet an einer neuen, visionären Variante. PETRA IV dürfte dafür wichtige Impulse liefern. Die Idee: „Ähnlich wie das Blatt einer Pflanze die Lichtenergie unmittelbar in chemische Energie umwandelt, wollen wir eine Solarzelle entwickeln, die direkt Wasserstoff erzeugt“, beschreibt DESY-Physikerin Simone Techert.

Erste Prototypen konnte ihre Arbeitsgruppe bereits bauen – winzige Zellen, dünner als ein menschliches Haar. Gleich einem Sandwich bestehen sie aus mehreren Schichten: Eine obere Lage bestehend aus lichtempfindlichen Kunststoffmolekülen fungiert als Solarzelle, sammelt Licht auf und wandelt es in Strom um.

Die hauchdünne Solarzelle liefert ihren Strom direkt in die darunterliegende Schicht. Diese spaltet mit Hilfe des Stroms und ein wenig Licht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Noch aber sind manche Fragen zu klären: Wenn Licht in die Zelle eindringt, schafft das auf der molekularen Ebene einiges an Unordnung. Diese Unordnung kann störend sein, etwa indem sie den Stromfluss in der Zelle behindert. Doch durch ein geschicktes Design der Materialien lässt sich die Unordnung so kanalisieren, dass sie den Elektronenfluss sogar verstärkt und die Umwandlung von Sonnenlicht zu Wasserstoff begünstigt.

„Diese Prozesse müssen wir noch besser verstehen“, betont Simone Techert. „PETRA IV kann uns helfen, die Unordnung und deren Dynamik deutlich genauer als bislang zu untersuchen. So können wir herausfinden, welche Materialien wir an welcher Stelle verwenden müssen, um ein möglichst effizientes System zu schaffen.“ Auch wenn noch manche Antwort aussteht, haben die Fachleute bereits eine Idee, wie eine grüne Wasserstoff-Fabrik aus Nanozellen ausschauen könnte. „Vielleicht so ähnlich wie ein Baum mit seinen Blättern, mit dreidimensional arrangierten Flächen“, meint Simone Techert. „Das ließe sich in die städtische Architektur integrieren, etwa in die Fassaden und auf die Dächer von Häusern.“