Künstliche Photosynthese (eBook)

Holger Dau untersucht mit physikalischen Methoden die Photosynthese von Pflanzen, Algen und Cyanobakterien sowie Katalysatoren für die Künstliche Photosynthese. Nach Diplom (in Physik) und Promotion in Kiel mit biochemischen Arbeiten am Weizmann Institut in Israel und einem 2½ jährigen Postdoktorat in Berkeley (USA) arbeitete er am FB Biologie der Philipps-Universität Marburg, seit 1995 als Privatdozent für "Pflanzenphysiologie" und "Biophysik". Seit 2000 lehrt und forscht er als Professor am FB Physik der Freien Universität Berlin.Philipp Kurz arbeitet seit einer inspirierenden Diplomarbeit zur Biomineralisation durch Algen (ETH Zürich, 2000) an Forschungsthemen zwischen Photosynthese und anorganischer Chemie. Nach seiner Promotion an der Universität Zürich im Jahr 2005 und einem zweijährigen Postdoktorat an der Universität Uppsala leitete er von 2007-2012 eine Arbeitsgruppe zum Thema Künstliche Photosynthese in Kiel. Seit 2012 ist er Professor für Bioanorganische Chemie an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.Marc-Denis Weitze leitet den Themenschwerpunkt Technikkommunikation in der Geschäftsstelle der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech) in München. Nach dem Studium der Chemie, Physik und Philosophie in Konstanz und München promovierte er in Chemie (TU München). Es folgten Tätigkeiten am Deutschen Museum in München und als Wissenschaftsjournalist. Er lehrt als Privatdozent für Wissenschaftskommunikation an der TU München.

Vorwort 6
Literatur 7
Leitfaden zum Buch 8
Literatur 11
Inhaltsverzeichnis 12
1: Globale Herausforderung: Ersatz fossiler durch regenerative Brennstoffe 16
1.1 Fossile Brennstoffe dominieren die Energieversorgung 16
1.1.1 Energieversorgung global 16
1.1.2 Energieversorgung in Deutschland 18
1.2 Warum der Ersatz fossiler Brennstoffe wichtig ist 21
1.2.1 Begrenzte Verfügbarkeit und kurzfristige Versorgungsrisiken 21
1.2.2 Gesundheitliche und ökologische Schäden 26
1.2.3 Umweltzerstörung und ökologische Katastrophen 28
1.2.4 Globale Erwärmung durch CO2-Emissionen 30
1.3 Das Problem der Speicherung von Wind- und Solarenergie 34
Literatur 37
2: Die Vision: Nutzung der Solarenergie nach dem Vorbild der Natur 39
2.1 Das Potenzial der Solarenergie 39
2.2 Die Vision der Künstlichen Photosynthese in Wissenschaft, Literatur, Kunst und Medien 40
2.3 „Desertec“: Lehren aus einer vorerst gescheiterten Vision 48
2.4 Fazit: Mehr als große Versprechungen und gescheiterte Visionen 49
Literatur 50
3: Photosynthese: Das biologische Vorbild 52
3.1 Wasser, Luft und Licht als Rohstoffe 52
3.1.1 Nachhaltige Energieversorgung der biologischen Welt 52
3.1.2 Summenformel und Schlüsselprozesse 56
3.2 Photosynthese im Licht und im Dunkeln 60
3.2.1 Architektur der Lichtreaktionen 60
3.2.2 Die Dunkelreaktionen 64
3.3 Ein Glanzpunkt aktueller Forschung 65
3.4 Wie effizient ist die biologische Solarenergienutzung? 68
3.4.1 Maximale Effizienz der Photosynthese 68
3.4.2 Ursachen der geringen mittleren Effizienz der photosynthetischen Biomassebildung 74
3.4.3 Fazit: Effizienz der photosynthetischen Biomassebildung 79
Literatur 80
4: Modifizierte Photosynthese: Neue Algen und Cyanoakterien 81
4.1 Photosynthese modifizieren – Warum und Wie? 81
4.2 Kleine Algen und Cyanobakterien verwenden 82
4.3 Verbesserung der Effizienz 84
4.4 Maßgeschneiderte Produkte 88
4.5 Fazit: Komplexe Wertstoffe statt Photobiowasserstoff 91
Literatur 92
5: Nachhaltige Energiekreisläufe: Von der biologischen zur Künstlichen Photosynthese 93
5.1 Naturgeschichte und globaler Kohlenstoffkreislauf 93
5.2 Vorbild Biologie 98
5.2.1 Defizite des biologischen Vorbilds erkennen und vermeiden 98
5.2.2 Vom Vogelflug zum Flugzeug: Biologie als Inspirationsquelle 100
5.3 Fünf Wege zu nicht-fossilen Brenn- und Rohstoffen 103
5.4 Solarenergienutzung durch Photovoltaik und Künstliche Photosynthese im Vergleich 106
Literatur 108
6: Künstliche Photosynthese: Eine Analyse in Teilprozessen 109
6.1 Definition und Überblick 110
6.2 Lichtabsorption und primäre Ladungstrennung 113
6.3 Katalyse der Wasseroxidation 120
6.4 Katalyse der Wasserstoff-Bildung 124
6.5 Katalyse der Kohlendioxid-Reduktion 128
6.6 Katalyse der Ammoniak-Synthese 135
6.7 Fazit: Einige Schlüsselprozesse sind bereits einsatzbereit 136
Literatur 137
7: Vom Künstlichen Blatt zum Energiesystem: Die technische Umsetzung 140
7.1 Photokatalyse auf Halbleiterpartikeln 141
7.2 Künstliche Blätter 144
7.3 Direkte Kopplung von Photovoltaik und Elektrolyse 149
7.4 Power-to-X 153
7.5 Integration der Künstlichen Photosynthese ins Energiesystem 157
7.6 Fazit: Beim Apparatebau stockt es (noch?) 160
Literatur 161
8: Künstliche Photosynthese gemeinsam gestalten 163
8.1 Frühzeitige Einbindung der Gesellschaft 163
8.2 Darstellungen von Technikzukünften der Künstlichen Photosynthese 166
8.3 Künstliche Photosynthese und globale Klimaveränderungen als ethische Herausforderung 168
8.4 Fazit: Dialog zur Künstlichen Photosynthese 172
Literatur 173
9: Was tun?! 175
Literatur 181
Stichwortverzeichnis 182