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Künstliche Photosynthese

Besser als die Natur?

AutorHolger Dau, Marc-Denis Weitze, Philipp Kurz
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2019
Seitenanzahl184 Seiten
ISBN9783662557181
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis19,99 EUR
Die Künstliche Photosynthese ist ein vielversprechender Ansatz für die nachhaltige, CO2-neutrale Produktion von Brenn- und Wertstoffen. Ihr Vorbild ist die biologische Photosynthese, über die Pflanzen aus Licht, Luft und Wasser die meisten Bausteine für den Energie- und Stoffkreislauf des Lebens gewinnen.
Weltweit arbeiten heute Forscherinnen und Forscher an der Entwicklung von Verfahren, bei denen die Energie des Sonnenlichts für die Produktion von Brennstoffen wie Wasserstoff und Methanol oder für die Synthese von Kunststoffen genutzt wird.
Das Buch beschreibt Motivationen, Grundlagen und Visionen zur Künstlichen Photosynthese in Wissenschaft, Kunst und Gesellschaft. Aktuelle Forschungsthemen, Pilotprojekte und mögliche Hürden für die Umsetzung im Kontext der Energiewende werden vorgestellt und bewertet.



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.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Literatur7
Leitfaden zum Buch8
Literatur11
Inhaltsverzeichnis12
1: Globale Herausforderung: Ersatz fossiler durch regenerative Brennstoffe16
1.1 Fossile Brennstoffe dominieren die Energieversorgung16
1.1.1 Energieversorgung global16
1.1.2 Energieversorgung in Deutschland18
1.2 Warum der Ersatz fossiler Brennstoffe wichtig ist21
1.2.1 Begrenzte Verfügbarkeit und kurzfristige Versorgungsrisiken21
1.2.2 Gesundheitliche und ökologische Schäden26
1.2.3 Umweltzerstörung und ökologische Katastrophen28
1.2.4 Globale Erwärmung durch CO2-Emissionen30
1.3 Das Problem der Speicherung von Wind- und Solarenergie34
Literatur37
2: Die Vision: Nutzung der Solarenergie nach dem Vorbild der Natur39
2.1 Das Potenzial der Solarenergie39
2.2 Die Vision der Künstlichen Photosynthese in Wissenschaft, Literatur, Kunst und Medien40
2.3 „Desertec“: Lehren aus einer vorerst gescheiterten Vision48
2.4 Fazit: Mehr als große Versprechungen und gescheiterte Visionen49
Literatur50
3: Photosynthese: Das biologische Vorbild52
3.1 Wasser, Luft und Licht als Rohstoffe52
3.1.1 Nachhaltige Energieversorgung der biologischen Welt52
3.1.2 Summenformel und Schlüsselprozesse56
3.2 Photosynthese im Licht und im Dunkeln60
3.2.1 Architektur der Lichtreaktionen60
3.2.2 Die Dunkelreaktionen64
3.3 Ein Glanzpunkt aktueller Forschung65
3.4 Wie effizient ist die biologische Solarenergienutzung?68
3.4.1 Maximale Effizienz der Photosynthese68
3.4.2 Ursachen der geringen mittleren Effizienz der photosynthetischen Biomassebildung74
3.4.3 Fazit: Effizienz der photosynthetischen Biomassebildung79
Literatur80
4: Modifizierte Photosynthese: Neue Algen und Cyanoakterien81
4.1 Photosynthese modifizieren – Warum und Wie?81
4.2 Kleine Algen und Cyanobakterien verwenden82
4.3 Verbesserung der Effizienz84
4.4 Maßgeschneiderte Produkte88
4.5 Fazit: Komplexe Wertstoffe statt Photobiowasserstoff91
Literatur92
5: Nachhaltige Energiekreisläufe: Von der biologischen zur Künstlichen Photosynthese93
5.1 Naturgeschichte und globaler Kohlenstoffkreislauf93
5.2 Vorbild Biologie98
5.2.1 Defizite des biologischen Vorbilds erkennen und vermeiden98
5.2.2 Vom Vogelflug zum Flugzeug: Biologie als Inspirationsquelle100
5.3 Fünf Wege zu nicht-fossilen Brenn- und Rohstoffen103
5.4 Solarenergienutzung durch Photovoltaik und Künstliche Photosynthese im Vergleich106
Literatur108
6: Künstliche Photosynthese: Eine Analyse in Teilprozessen109
6.1 Definition und Überblick110
6.2 Lichtabsorption und primäre Ladungstrennung113
6.3 Katalyse der Wasseroxidation120
6.4 Katalyse der Wasserstoff-Bildung124
6.5 Katalyse der Kohlendioxid-Reduktion128
6.6 Katalyse der Ammoniak-Synthese135
6.7 Fazit: Einige Schlüsselprozesse sind bereits einsatzbereit136
Literatur137
7: Vom Künstlichen Blatt zum Energiesystem: Die technische Umsetzung140
7.1 Photokatalyse auf Halbleiterpartikeln141
7.2 Künstliche Blätter144
7.3 Direkte Kopplung von Photovoltaik und Elektrolyse149
7.4 Power-to-X153
7.5 Integration der Künstlichen Photosynthese ins Energiesystem157
7.6 Fazit: Beim Apparatebau stockt es (noch?)160
Literatur161
8: Künstliche Photosynthese gemeinsam gestalten163
8.1 Frühzeitige Einbindung der Gesellschaft163
8.2 Darstellungen von Technikzukünften der Künstlichen Photosynthese166
8.3 Künstliche Photosynthese und globale Klimaveränderungen als ethische Herausforderung168
8.4 Fazit: Dialog zur Künstlichen Photosynthese172
Literatur173
9: Was tun?!175
Literatur181
Stichwortverzeichnis182

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