Die Quantentechnik der Natur könnte zu effizienter Sonnenenergie führen

Struktur des Fenna-Matthews-Olson-Komplex. (Alex Chin)
Struktur des Fenna-Matthews-Olson-Komplex. (Alex Chin)

Photosynthese auf Quantenebene in biologischen Systemen, die extreme Umgebungen bewohnen, könnte den Schlüssel zu neuen Entwicklungen von Sonnenenergie- und Nano-Geräten enthalten.

Bestimmte biologische Systeme, die in Umgebungen mit wenig Licht leben, besitzen einzigartige Proteinstrukturen für die Photosynthese, welche Quantendynamiken verwenden, um 100 Prozent des absorbierten Lichts in elektrische Ladung umzuwandeln. Die erstaunliche Effizienz könne zu neuen Erkenntnissen über erneuerbare Sonnenenergie führen, wie in einer am 6. Januar 2013 im Journal Nature Physics veröffentlichten Forschungsarbeit berichtet wird.

Die Arbeit löst ein wichtiges Rätsel in dem aufstrebenden Feld der Quantenbiologie – den Ursprüngen und Langlebigkeit der Quanten, wellenähnlichen Eigenschaften, die Energie während der frühen Stadien der Photosynthese transportieren. Diese Phänomene wurden unerwartet in Molekularkomplexen beobachtet, die aus einer Vielzahl von Pflanzen, Algen und Bakterien extrahiert wurden.

Bei der Photosynthese werden Photonen von Pigmenten wie Chlorophyll absorbiert und erzeugen angeregte Molekularzustände – Exzitonen -, die Energie als Quantenwellen durch Pigment-Netzwerke tragen. Die Pigment-Netzwerke werden von Proteinstrukturen, den Pigment-Proteinkomplexen (pigment-protein compexes, PPCs), an Ort und Stelle der Reaktionszentren der PPCs gehalten, wo die Energie der Exzitonen benutzt wird, um Elektronen freizusetzen, die für die photosynthetische Chemie benötigt werden. Das Fangen oder die Zerstreuung von Exzitonen während dieser Reise zu verhindern, ist ein Schlüsselproblem sowohl in der Natur als auch in künstlich hergestellten Solarzellen.

Eine Forschungsarbeit des Cavendish Laboratory der University of Cambridge über lichtsammelnde Proteine in Grünen Schwefelbakterien, die in Tiefen von mehr als 2.000 Metern unter der Wasseroberfläche überleben können, hat einen Mechanismus in PPCs aufgedeckt, der dabei hilft, die Energie auf der Reise durch die Struktur vor der Zerstreuung zu bewahren. Der Fluss eines Teils der entkommenen Energie wird faktisch umgekehrt, indem er mittels molekularer Vibrationen wieder zurück auf das Exzitonniveau energetisiert wird.

Diese PPCs (in diesem Fall der Fenna-Matthews-Olson-Komplex der Bakterien) gewährleisten, dass jedes absorbierte Photon bis in das Reaktionszentrum der Struktur gelangt – das ist entscheidend für das Überleben eines Organismus in den unbewohnbarsten Umgebungen des Planeten, wo es wenig Licht gibt.

“Als die detaillierte Struktur der Proteinvibrationen erst einmal in unsere Simulationen einbezogen war, fanden wir heraus, dass die Energie der Exzitonen nicht kontinuierlich abnimmt, wenn sie zu ihrer endgültigen Position strömen. Das könnte man in den komplexen, thermalen Bedingungen innerhalb biologischer Systeme jedoch erwarten”, sagte Dr. Alex Chin vom Winton Programme for the Physics of Sustainability, der die Forschungsarbeit gemeinsam mit Professor Marin Plenio, Professor Susana Huelga, Dr. Felipe Caycedo-Soler und Robert Rosenbach vom Institut für theoretische Physik der Universität Ulm und Dr. Javier Prior von der University of Cartagena durchführte.

“Unsere Forschung spricht in der Tat dafür, dass diese natürlichen PPCs einen ‘heißen und schnellen’ Energietransfer bewirken – Energieflüsse, die die vollständige Abkühlung auf die Temperatur ihrer Umgebung verhindern. Das wurde als eine Möglichkeit für die Verbesserung der Effizienz von Solarzellen angesehen, die über die derzeitigen, von der Thermodynamik bestimmten Grenzen hinausgeht.” Die Forscher argumentieren, dass die außergewöhnliche Lichtsammel-Kapazität dieser Proteinsysteme in komplizierten Prozessen des Energietransports begründet ist, die außerhalb des Bereichs “klassischer” Physik liegen und stark von der Quantenphysik abhängen – hauptsächlich von der “Quantenkohärenz”.

Quantenkohärenz in der Photosynthese bezieht Energie in Form der teilchenartigen Exzitonen ein, die sich mittels multipler Kanäle gleichzeitig durch die molekulare Struktur bewegen. Diese Quantenkohärenz ist normalerweise sehr schwach und wird schnell durch zufällige Fluktuationen umgebender Proteine zerstört. Deswegen kam die Beobachtung langlebiger Kohärenz in PPCs für viele Forscher völlig überraschend.

“Die Quantenkohärenz scheint die Geschwindigkeit des Energieflusses durch Moleküle zu erhöhen und sie davor zu bewahren, in lokalen Fallen oder Defekten gefangen zu werden”, sagte Chin und ergänzte, dass “unsere Ergebnisse eine mikroskopische Basis für das Verständnis bereitstellen, wie die Kohärenz, welche für diese Theorien von zentraler Bedeutung ist, in den PPCs aufrecht erhalten wird. Die resultierenden Einblicke liefern verschiedene vielversprechende Hinweise darauf, welche Effizienzvorteile die Quantenkohärenz diesen Systemen verschafft.”

“Eines der Schlüsselprobleme der aktuellen Solarzellentechnologie scheint durch die molekulare Architektur dieser PPCs elegant und rigoros gelöst worden zu sein, nämlich der schnelle, verlustfreie Transfer von Exzitonen zu den Reaktionszentren”, fügte er hinzu.

Wie Chin auch betont, sei die Stabilisierung der Quantenkohärenz insbesondere bei Raumtemperaturen ein wichtiges Ziel für zukünftige, quantenbasierte Technologien – von fortschrittlichen Solarzellen bis zu Quantencomputern und Nanotechnologie. Die Wissenschaftler haben bereits mit der Erforschung dessen begonnen.

“Diese biologischen Systeme können einen Quantenprozess (in diesem Fall den Energietransport) auf erstaunlich einfache und kontrollierte Weise steuern und zeigen eine bemerkenswerte Widerstandskraft gegenüber aggressiven, zufälligen Hintergrundstörungen durch Biologie und extreme Umgebungen.

“Diese neue Erkenntnis darüber, wie die Kohärenz in Exzitonen aufrecht erhalten und sogar mittels molekularer Vibrationen erneuert wird, liefert einen faszinierenden Einblick in die komplexen Lösungen (scheinbar auch Quantentechnik eingeschlossen), die die Natur im Laufe der Evolution hervorgebracht hat. Sie könnten die Inspiration für neue Arten von Quantengeräten sein, die bei Raumtemperatur funktionieren.”

Abhandlung: “The role of non-equilibrium vibrational structures in electronic coherence and recoherence in pigment–protein complexes

Quelle: http://www.cam.ac.uk/research/news/unlocking-natures-quantum-engineering-for-efficient-solar-energy/

(THK)

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