Der Aufwand der künstlichen Photosynthese nimmt Wurzeln

Während eine Debatte über die Rolle der Regierung bei der Finanzierung von Energieinnovationen tobt, die durch das Scheitern von staatlich unterstützten Unternehmen wie Solyndra und A123 Systems ausgelöst wurde, wurde eine weniger umstrittene bundesstaatliche Cleantech-Investitionsstrategie leise vor sich hin gesummt und erhielt parteiübergreifende Unterstützung. Sogenannte Innovation Hubs, multidisziplinäre Forschungszentren, die den legendären Bell Laboratories nacheifern sollen, indem sie wissenschaftliche Forschung mit angewandter Technologie kombinieren, haben es geschafft, kontinuierliche staatliche Mittel zu erhalten, obwohl der Kongress daran arbeitet, den gesamten Bundeshaushalt zu kürzen.

Künstliches Blatt: Dieser Prototyp des Joint Center for Artificial Photosynthese Innovation Hub nutzt Energie aus Sonnenlicht, um Wasserstoff aus Wasser zu isolieren.

Zwei Jahre nach der ersten Finanzierung sagt eines der aktuellen Zentren – ein Caltech-basiertes Projekt, das sich auf die Nutzung von Sonnenlicht zur Herstellung flüssiger Kraftstoffe konzentriert –, dass es erhebliche Fortschritte bei Geräten gemacht hat, die Sonnenlicht und Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umwandeln, die zur Energieversorgung verwendet werden könnten ein Auto oder Strom nach Bedarf erzeugen. Schließlich hoffen die Forscher, den Wasserstoff mit Kohlenstoff aus Kohlendioxid zu kombinieren, um flüssige Kraftstoffe ähnlich wie Benzin oder Diesel herzustellen.



Seit Jahrzehnten betreiben Forscher die sogenannte künstliche Photosynthese. Der Fortschritt war langsam, und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens im großen Maßstab bleibt ein scheinbar fernes Ziel. Das neue Innovationszentrum, das über fünf Jahre 122 Millionen US-Dollar erhalten soll, will diese Forschung beschleunigen, indem es eine große Anzahl von Experten aus verschiedenen Bereichen wie Katalyse, Optik und Membrantechnologie zusammenbringt.

Um die Materialforschung zu beschleunigen, haben Forscher am Caltech-Hub, die mit Forschern des Lawrence Berkeley National Lab und mehr als 20 anderen Forschungszentren zusammenarbeiten, ein Tintenstrahldruckverfahren entwickelt, das Millionen von leicht unterschiedlichen Variationen vielversprechender Katalysatoren produzieren kann. Jedes Sample ist so klein wie ein Pixel auf einem Bildschirm. Sie entwickeln auch Geräte, mit denen die Aktivität jedes Katalysators schnell getestet werden kann. Es wird die Geschwindigkeit der Entdeckung von Elektrokatalysatoren und Photokatalysatoren von einigen wenigen Kandidaten pro Jahr auf einige wenige alle paar Millisekunden dramatisch beschleunigen und Tausende bis Millionen pro Tag produzieren, sagt Nate Lewis, Hub-Direktor am Joint Center for Artificial Photosynthese.

Gleichzeitig hat der Hub fortschrittliche 3D-Drucker installiert, die Prototypen von Geräten herstellen können, um die lichtabsorbierenden Materialien und Katalysatoren aufzunehmen, ihnen Wasser zuzuführen und Wasserstoff und Sauerstoff zu trennen und zu sammeln. Bisher haben Forscher zwei solcher Prototypen gebaut, die aus Sonnenlicht Treibstoff herstellen können – wenn auch noch nicht wirtschaftlich. Geplant sind mindestens vier oder fünf verschiedene Versionen der Geräte mit jeweils unterschiedlichen Stärken und Schwächen. Die Forscher wollen mehrere Versionen, weil sie nicht vorhersagen können, wo der nächste Materialfortschritt sein wird.

Die Idee, an Innovationszentren neue Energietechnologien zu entwickeln, unterscheidet sich stark von dem Ansatz, Unternehmen durch Zuschüsse oder Kreditgarantien beim Ausbau der Produktion zu unterstützen, wie es das US-Energieministerium im Fall von A123 und Solyndra tat. Es unterscheidet sich auch stark von der Förderung von Forschungsprojekten im ARPA-E-Programm, deren Ziel es ist, in einem Labor oder einem Unternehmen einen konkreten Fortschritt, etwa die Entdeckung eines vielversprechenden neuen Materials, zu erreichen und sein Potenzial innerhalb von drei Jahren zu demonstrieren – zum Beispiel B. durch den Bau einer funktionierenden Batterie aus diesem Material.

Die Innovationszentren bringen Forscher aus vielen verschiedenen Gruppen zusammen, um sich darauf zu konzentrieren, Durchbrüche bei langjährigen Problemen zu erzielen. Sie arbeiten auf vielen verschiedenen Ebenen, tun alles, von der Entdeckung neuer Materialien und dem sorgfältigen Studium ihrer Arbeitsweise bis hin zum Entwerfen und Bauen von Geräten, die diese Materialien verwenden könnten. Während ARPA-E einzelnen Projekten ein paar Millionen Dollar gewährt, soll jeder Hub über fünf Jahre mehr als 100 Millionen Dollar erhalten, in Anerkennung des größeren Ausmaßes der Probleme, mit denen sie sich befassen.

Bisher wurden fünf Innovation Hubs gefördert, aber die Finanzierung für deren fünfjährige Laufzeit ist nicht garantiert. Das Geld muss jedes Jahr vergeben werden, und das Budget für das nächste Jahr ist noch nicht verabschiedet. Obwohl die zuständigen Ausschüsse des Repräsentantenhauses und des Senats die weitere Finanzierung aller fünf unterstützen, sieht sich der Kongress einem zunehmenden Druck ausgesetzt, nach Möglichkeiten zur Kürzung der Ausgaben zu suchen.

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