Wasser für die Energieversorgung

Symbolisches Bild von Wasseratomen

Grüner Wasserstoff

Wasserspaltung mit der Kraft der Sonne

In der Energieversorgung der Zukunft wird Wasser eine zentrale Rolle spielen, vor allem als Ausgangsstoff für die Gewinnung von grünem Wasserstoff. Dazu muss das Wassermolekül mit Hilfe von regenerativen Energien gespalten werden. Heute geschieht das vor allem durch die Elektrolyse, einem mehrstufigen Verfahren: Zunächst erzeugen Windräder oder Solarzellen klimaneutralen Strom. Dieser wird dann in eine Anlage gespeist, die das Wasser elektrisch in seine Bestandteile trennt. Deutlich effektiver wäre ein einstufiger Prozess – die photokatalytische Wasserspaltung. Dabei wird Wasser direkt und ohne Umwege durch Lichtprozesse gespalten.

Wasserforschung für Mensch, Technik und Umwelt

Damit die Wasserspaltung funktioniert, braucht es ein molekulares Helferlein – einen Katalysator, der die Spaltungsreaktion entscheidend beschleunigt und dadurch erst möglich macht. Dafür geeignete Katalysator scheinen zum Beispiel bestimmte Mineralien zu sein, sogenannte Perowskite. DESY-Forscherin Simone Techert: „Das ist eine Materialklasse, die auch für künftige Solarzellen interessant ist.“ Vor einem technischen Einsatz dieser Katalysatoren stehen jedoch noch diverse Forschungsfragen:

Welche Materialzusammensetzung eignet sich für die Wasserspaltung am besten, gerade wenn Wasser in Kontakt mit dem Katalysator kommt? Wie lassen sich die Materialien günstig und umweltfreundlich fertigen, am besten in wässriger Lösung? Wie ist es um ihre Haltbarkeit bestellt, und lassen sie sich einfach recyclen?

Um Antworten zu finden, plant Techerts Team Experimente unter anderem am European XFEL. Dort wollen die Fachleute wasserbenetze Katalysator-Kristalle mit Laserpulsen beleuchten, um die Wasserspaltung auszulösen. Dann werden sie mit ultrastarken Röntgenblitzen analysieren, was im Detail bei der Spaltung der Wassermoleküle passiert und wie sie sich optimieren lässt. „Dabei geht es uns nicht alleine um Grundlagenforschung, betont Simone Techert. „Um zu versuchen, das Thema irgendwann in die Praxis umzusetzen, arbeiten wir unter anderem mit der Forschungsabteilung eines großen Automobilkonzerns zusammen.“

Wasser interdisziplinär erforschen

Um die Arbeit von Forschungsgruppen aus ganz Europa in der Wasserforschung zu bündeln, entsteht in der geplanten Hamburger Wissenschaftsstadt Science City Bahrenfeld das  Zentrum für Molekulare Wasserforschung  (Centre for Molecular Water Science, CMWS).

Forschende von European XFEL, der Universität Hamburg und DESY sowie weitere Partner werden dort gemeinsam arbeiten. Ihr Ziel: die Struktur von Wasser zu enträtseln, um künstliche Photosynthese, die Dichteanomalie von Wasser oder die Biochemie von in Wasser gelösten Proteinen zu verstehen. Das Zentrum wird den Austausch mit benachbarten Disziplinen wie der Chemie und Biochemie, den Geowissenschaften, der Astrophysik oder der Nanotechnologie fördern und vereinfachen. Auch wird das CMWS Nutzerinnen und Nutzer bei der komplexen Vorbereitung ihrer Experimente unterstützen.

 

Wasserforschung im Centre for Molecular Water Science soll auch mit Unterstützung des geplanten 3D-Röntgenmikroskops PETRA IV erfolgen: Die Anomalien des Wassers machen Leben auf der Erde möglich und sind wichtig für technische Anwendungen. Noch sucht die Forschung nach Erklärungen, um das einzigartige Verhalten von Wasser zu verstehen. Einer Theorie zufolge besteht es in seiner flüssigen Form aus zwei strukturell und dynamisch verschiedenen Komponenten (rot und blau eingefärbt). PETRA IV könnte diese Flüssigkeitszustände erstmals unterscheiden.