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Der Stoff von morgen

Der Chemiker Stephen Cramer erforscht, wie biologische Enzyme chemische Reaktionen beschleunigen. Die Erkenntnisse könnten dabei helfen, neue Katalysatoren zu entwickeln, die eine grüne Wasserstoffwirtschaft ermöglichen.

Sie sehen aus wie winzige Solarzellen – und imitieren die Funktion eines pflanzlichen Blattes. Die kleinen schwarzen Plättchen – „artificial leafs“, also „künstliche Blätter“ genannt – sind eine Erfindung von Forschern des California Institute of Technology und des Massachusetts Institute of Technology. Sie nutzen die Energie des Sonnenlichts, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Das austretende Wasserstoffgas, das aus den Prototypen im Labormaßstab bereits eifrig sprudelt, soll nach den Vorstellungen der Forscher künftig gesammelt werden, um Energie zu speichern. Auch Algen im Bioreaktor, mit Spiegeln gebündeltes Sonnenlicht und überschüssiger Windstrom könnten in Zukunft genutzt werden, um Wasserstoffgas als sauberen Energieträger zu produzieren, der Autos, Heizungen, Flugzeuge antreibt. Aus dem Auspuff käme dann nur noch Wasserdampf.

„Wäre das nicht eine schöne Welt?“, fragt Stephen Cramer.

„Wasserstoff wäre ein idealer Energiespeicher für saubere Mobilität und Energieerzeugung.“

Der 66-jährige Chemiker, Professor an der University of California in Davis, arbeitet an dieser Vision einer grünen Wasserstoffwirtschaft. Cramer ist Experte für biologische Katalysatoren. Er untersucht Enzyme, also Biomoleküle, die chemische Reaktionen in lebenden Organismen beschleunigen und dadurch einen entscheidenden Beitrag zu einer effizienten Wasserstofferzeugung leisten können.

Katalysatoren sind eine Art Heiratsvermittler zwischen den Molekülen. Denn viele Moleküle können zwar miteinander reagieren, haben jedoch Hemmungen, dies zu tun. Katalysatoren helfen ihnen, die energetische Barriere, die sie trennt, zu überwinden. Sie nehmen mit ihnen einen Zwischenzustand ein, verkuppeln sie und beschleunigen oder ermöglichen so chemische Reaktionen. Doch nicht nur Verbindungen, auch Trennungen unterstützen sie, wie zum Beispiel bei der Spaltung von Wasser in den „künstlichen Blättern“ des California Institute of Technology. Im Zentrum chemisch hergestellter Katalysatoren wirken häufig Metalle wie Rhodium, Palladium und Platin, die die zunächst heiratsunwilligen Moleküle aktivieren können. Doch diese Metalle sind rar und wertvoll. Forscher würden daher lieber Elemente einsetzen, die auf der Erde reichlich vorhanden sind, etwa Eisen oder Nickel, und in der Natur die gleiche Wirkung erzielen.

Cramer, der seit Anfang 2017 als Einstein Visiting Fellow am Einstein-Zentrum für Katalyse und am Exzellenzcluster UniCat in Berlin forscht, beschäftigt sich vor allem mit einem Enzym, der sogenannten Hydrogenase. Dieses kommt in bestimmten, hoch spezialisierten Mikroorganismen vor und schmiedet aus zwei Protonen und zwei Elektronen gasförmigen Wasserstoff. Dabei ist es sehr effizient: Bis zu 10.000 dieser molekularen Vermählungen pro Sekunde vermittelt das Biomolekül – so viele wie die besten technischen Katalysatoren. Doch während im Labor meist das teure, seltene Platin für die Reaktion zum Einsatz kommt, nutzt der Biokatalysator billiges, einfach verfügbares Eisen in seinem aktiven Zentrum. „Wir wollen verstehen, wie die Enzyme das schaffen, um diese Prinzipien dann für bessere und günstigere künstliche Katalysatoren nutzbar zu machen“, sagt Cramer. Denn das größte Hindernis auf dem Weg zu einer effizienten Wasserstofferzeugung im industriellen Maßstab sind die hohen Kosten technischer Katalysatoren.

Um die Funktionsweise der Hydrogenase besser zu verstehen, kooperiert Cramer in Berlin mit Peter Hildebrandt und Oliver Lenz vom Institut für Physikalische und Biophysikalische Chemie der Technischen Universität Berlin. Deren Arbeitsgruppen gehören zu den Kristallisationspunkten des 2007 ins Leben gerufenen Exzellenzclusters UniCat, in dem alle Berliner Universitäten sowie mehrere außeruniversitäre Forschungseinrichtungen fachübergreifend und interdisziplinär an neuen Konzepten und Systemen für bessere Katalysatoren forschen. Im September 2018 wurde eine Weiterführung des Forschungsnetzwerks in einem zweiten Exzellenzcluster bewilligt. Berlin hat sich so zu einem internationalen Schwergewicht in der Katalyseforschung entwickelt.

Die Relevanz der „hidden champions“ der grünen Wasserstoffproduktion wird deutlich, wenn man beispielsweise die Produktion von Kunstdüngern betrachtet. Die Herstellung des dafür nötigen Ausgangsstoffs Ammoniak verschlingt rund ein Prozent des weltweiten Energiebedarfs. Durch neue Katalysesysteme könnte in Zukunft viel Energie bei der Durchführung dieser und anderer chemischer Reaktionen eingespart werden, was von großem Interesse für die chemische und pharmazeutische Industrie ist. 

Und auch für Reaktionen zur Umwandlung des Klimagases Kohlenstoffdioxid (CO2) in weniger klimaschädliche Substanzen suchen Forscher beharrlich nach neuen Katalysatoren.

Schon jetzt spielen sie bei rund 80 Prozent aller industriellen chemischen Prozesse eine entscheidende Rolle. Weltweit liegt das Marktvolumen für die Kupplermoleküle im zweistelligen Milliardenbereich.

Bei der Suche nach neuen künstlichen Katalysatoren richtet sich der Blick immer wieder auf die Natur – denn die macht wie im Falle der Hydrogenase vor, wie eine effiziente, kostengünstige Katalyse chemischer Prozesse aussehen könnte. „Wir wollen die Prinzipien verstehen, mit denen die katalytischen Zentren der Enzyme arbeiten“, erklärt der Molekularbiologe und Biochemiker Oliver Lenz. Lenz ist Experte für Mikroorganismen, in denen Hydrogenasen vorkommen, und damit der ideale Forschungspartner für Cramer. Er nutzt molekularbiologische Methoden, um bestimmte Stellen im Hydrogenasemolekül zu verändern – um dann zu studieren, welchen Einfluss dies auf die Funktion des Enzyms hat. Für diese Untersuchungen sind spektroskopische Methoden, wie sie von Hildebrandt und Cramer verwendet und weiterentwickelt werden, unerlässlich. „Solche Informationen sind sehr wichtig für die Chemiker, die dann ausgehend von den Funktionsprinzipien der biologischen Systeme künstliche Nachahmungen synthetisieren“, sagt Lenz.

Mehrere Jahrzehnte hat Cramer schon der Erforschung der Hydrogenase und weiterer Enzyme gewidmet. Dabei versuchen er und seine Kollegen in kleinteiliger Detektivarbeit, jeden einzelnen Zwischenschritt der chemischen Reaktionen an den Biomolekülen aufzuklären. Doch wie kann man Prozesse beobachten, die innerhalb von Femtosekunden – Billiarden-Bruchteilen einer Sekunde – ablaufen? „Wir lassen die Reaktionen im Reagenzglas ablaufen und frieren die Reaktionslösung blitzartig ein“, erklärt Cramer. Dann betrachten die Forscher diese Momentaufnahmen – und können daraus Rückschlüsse auf den Ablauf der Reaktionen ziehen.

Für seine Experimente braucht Cramer die besten Synchrotronstrahlenquellen der Welt – nur wenige der technischen Großanlagen mit Teilchenbeschleuniger und Elektronenspeicherring erzeugen die energiereiche, stark fokussierte Röntgenstrahlung, mit der er die Struktur und die Bindungszustände der Enzyme untersuchen kann. Die eingefrorenen Proben werden deshalb oft nach Japan verschifft, wo das derzeit leistungsfähigste Synchrotron, SPring-8, steht. Häufig liefern zudem andere Kooperationspartner molekulare Bausteine für die Experimente. Spezialisierte Logistikdienstleister spielen eine wichtige Rolle bei dieser Art von interkontinentaler Wissenschaft.

„Vor 50 Jahren hätten wir so etwas logistisch gar nicht bewerkstelligen können“, sagt Cramer, der es genießt, Teil dieses weltumspannenden Wissenschaftsnetzwerks zu sein.

Was er noch an seinem Beruf liebt? „An den besten Tagen etwas herauszufinden, das keiner zuvor entdeckt hat.“ Dabei geht es ihm nicht allein um Erkenntnis. „Auch die Schönheit und Eleganz einer wissenschaftlichen Arbeit sind mir wichtig.“

Für Cramer ist die Chemie eine Berufung. „Ich wusste schon in der zweiten Klasse, dass ich Chemie studieren und Chemiker werden würde“, erinnert er sich. Sein Vater machte die Hälfte seiner Werkstatt für ein Chemielabor frei, wo er frei schalten und walten durfte. „Wenn meine Eltern gewusst hätten, was ich dort mache, hätten sie das Labor vermutlich schnell wieder geschlossen“, schmunzelt er. Cramer baute Raketen und erzeugte hoch explosives Wasserstoffgas, indem er Bleistifte unter Strom setzte und in ein Wasserglas hielt.

Das Elternhaus überstand die jugendlichen Ambitionen unversehrt – und Stephen Cramer forscht inzwischen an deutlich eleganteren Wegen, Wasserstoff herzustellen. Auch wenn es noch ein weiter Weg ist, bis Wasserstoff mithilfe von Katalysatoren kostengünstig gewonnen werden kann, hofft der Chemiker, dass seine Forschung die Entwicklung einer sauberen Energiewirtschaft der Zukunft voranbringen wird. „So wie bisher können wir jedenfalls nicht weitermachen“, findet Cramer, „und bessere Katalysatoren werden einen entscheidenden Beitrag zu nachhaltigen Technologien leisten.“

 

Text: Dietrich von Richthofen