Geht es nach Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und ihrer kanadischen Partner, werden künftig auf Dachflächen oder in Solarparks nicht nur Strom und Wärme produziert: Effiziente und preisgünstige Fotoreaktormodule sollen es ermöglichen, auch Wasserstoff, Kraftstoffe und sogar Trinkwasser zu gewinnen. Darüber berichtet das Team in der Fachzeitschrift Joule (https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.05.006).
Bei der künstlichen Fotosynthese finden mit Hilfe von Sonnenlicht chemische Reaktionen statt. „Inzwischen sind unterschiedliche Fotokatalysatoren bekannt. Mit ihnen lässt sich zum Beispiel Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten, es lassen sich aber auch klimaneutrale Kraftstoffe aus Wasser und Kohlendioxid herstellen“, sagt Paul Kant vom Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) des KIT. Die Forschenden wollen die Technologie nun aus dem Labor in die Praxis überführen: mit einem Konzept für hocheffiziente Fotoreaktorpaneele, die in kostengünstigen Modulen verbaut werden können. Den großflächigen Einsatz solcher neuartiger Fotoreaktormodule auf Hausdächern oder in Solarfarmen zur Herstellung von Wasserstoff oder Kraftstoffen hält Kant, der die Forschungsarbeiten federführend während seiner Promotion leitete, für eine der großen technologischen Chancen der Menschheit im Kampf gegen die Klimakrise: „Das könnte den Einsatz fossiler Energieträger schlichtweg überflüssig machen.“
Ein effizientes Fotoreaktormodul für die praktische Anwendung muss demnach im Wesentlichen zwei Komponenten aufweisen: Zum einen muss ein geeigneter Fotokatalysator zur Verfügung stehen, der die eigentliche chemische Reaktion antreibt. Zum anderen muss ein Fotoreaktor vorhanden sein, also ein „Behältnis“ für den Fotokatalysator sowie die Ausgangsstoffe der chemischen Reaktion. Das von dem Forschungsteam vorgestellte Fotoreaktorkonzept adressiert genau diese doppelte Herausforderung: Es besteht aus mikrostrukturierten Polymerpaneelen, die für eine hohe Reflektivität mit Aluminium beschichtet werden, und ermöglicht sowohl optimale Betriebsbedingungen als auch einen effizienten Transport von Licht zum Fotokatalysator über den gesamten Tagesverlauf.
Auf Grundlage einer allgemeingültigen Richtlinie, die von den Forschenden auf Basis einer detaillierten Analyse ihres Reaktorkonzepts erarbeitet wurden, sollen zukünftige Fotoreaktormodule nun für unterschiedliche Einsatzzwecke verhältnismäßig einfach auf maximale Effizienz ausgelegt werden können. Eine hohe Effizienz bei der chemischen Reaktion sei allerdings nur ein Teil der Herausforderung: Für relevante Produktmengen müssen extrem große Flächen mit Fotoreaktorpaneelen bedeckt werden. Um die Kosten zu senken, setzen die Forschenden daher auf kostengünstige Materialien sowie Geometrien, die in etablierten Massenfertigungsverfahren hergestellt werden können – und forschen weiter, unter anderem an der möglichen Massenproduktion.