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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Bakterien als Wasserstoff-Vorbilder |
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| | | Bakterien liefern Chemikern und Biologen oft wertvolle Hinweise auf die Ökologisierung bestehender Technologien. Schon länger sucht man saubere Treibstoff-Nachfolger für Benzin und Diesel. Wasserstoff scheint vielversprechend, ist aber bislang zu teuer. Doch jetzt haben Wissenschaftler ein Molekül auf der Basis eines Bakterienproteins entwickelt, das billig und schnell bestimmte Stoffe in Wasserstoff verwandelt. |
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Dies berichten Thomas Rauchfuss und seine Kollegen von der University of Illinois, USA, in der aktuellen Ausgabe des 'Journal of the American Chemical Society'.
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Teure Produktion |
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Im Gegensatz zu konventionellen, auf Erdöl basierenden Treibstoffen wie Benzin oder Diesel, produziert Wasserstoff beim Verbrennen nur Wasser. Das Problem beim Wasserstoff war und ist bislang die teure Produktion des Treibstoffes.
Thomas Rauchfuss und seine Chemiker-Kollegen wollen jetzt den Wasserstoff-Produktionsprozess bestimmter Bakterien kopieren, um aus billigen Säuren schnell und einfach Wasserstoff herstellen zu können.
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Wasserstoff (H)
farb-, geruch- und geschmackloses Gas; findet sich in freiem Zustand kaum, aber in vielen anorganischen und organischen Verbindungen; wird hauptsächlich aus Rohöl und Erdgas gewonnen. H ist brennbar, sein Verbrennungsprodukt ist Wasser; er bildet mit Sauerstoff hochexplosive Gemische. Atomarer Wasserstoff kann durch thermische Dissoziation von gewöhnlichem Wasserstoff, dessen Moleküle aus zwei Atomen bestehen, erhalten werden. Er hat dann eine viel größere Reaktionsfähigkeit. Schwere Isotope des Wasserstoffs sind das Deuterium und das Tritium. |
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Spezielle Enzyme |
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Diese Bakterien verwenden Proteine, um Stoffe in andere Substanzen umzuwandeln. Diese auch Enzyme genannten Proteine, in diesem Fall Hydrogenasen, verwandeln spezifische wasserstoffhältige Säuren in Wasserstoff-Gas.
Die US-Chemiker entwickelten anhand dieser Hydrogenase ein synthetisches Ebenbild, das exakt das Verhalten dieser Hydrogenase nachahmen soll. Für die industrielle Produktion ist es einfacher, solche künstlichen Enzyme herzustellen, als mit lebenden Zellen zu arbeiten.
Deshalb sollte es keine technologischen oder ökonomischen Hindernisse für die Wasserstoff-Produktion aus massenhaft vorhandenen, billigen Säuren geben.
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Hydrogenasen
Cyanobakterien und Grünalgen sind die einzigen Organismen mit einer Photosynthese, die Wasserstoff durch eine biologische Umwandlung der Lichtenergie produzieren können. Die Mikroorganismen besitzen Enzyme (Hydrogenasen), welche die reversible Reduktion von Protonen zu molekularem Wasserstoff katalysieren. Nach der Isolierung der Gene, die für Hydrogenasen kodieren, wird mit Hilfe biochemischer und molekularbiologischer Methoden der Wasserstoff-Metabolismus bei Cyanobakterien und Grünalgen untersucht. |
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Prototypen seit den Siebzigern |
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Wie natürliches Gas kann Wasserstoff verbrannt und die dabei gewonnene Energie in spezifischen Brennstoffzellen direkt in Elektrizität umgewandelt werden.
Prototypen von Wasserstoff-betriebenen Fahrzeugen existieren seit den 1970iger Jahren. Das Problem bisher war und ist die Gewinnung des Wasserstoffes. Obwohl Wasserstoff problemlos aus Meerwasser hergestellt werden kann, ist dies nach wie vor unökonomisch und teuer.
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Zentrale Bestandteile von Bakterien |
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Dabei sind die Wasserstoff-Produktion und -verwertung zentrale Bestandteile der Stoffwechselprozesse vieler Bakterien, die Kohlendioxid und Stickstoff in biologisch verwertbare Komponenten umbauen.
Die heute in vielen Ökosystemen vorkommenden Wasserstoff-produzierenden Bakterien werden als sehr ähnlich zu jenen Bakterien angesehen, die in den ersten Phasen des Lebens auf der Erde dominierten. Man nimmt an, dass in jenen Perioden die Atmosphäre in erster Linie aus Kohlendioxid und Stickstoff bestand und sich deshalb jene Stoffwechsel-Mechanismen herausgebildet haben.
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Was sind Enzyme
...Biokatalysatoren, durch deren Wirkung sämtliche chemische Umwandlungen im Organismus ermöglicht werden. Diese Biokatalysatoren unterscheiden sich von den nichtbiologischen durch ihre Spezifität: Fast für jede Reaktion haben die Zellen eines Organismus ein besonderes Enzym. Man kennt heute ca. 1000 Enzyme; ihre Zahl ist sicher noch weit größer. Enzyme bestehen aus einem Apo- und einem Coenzym. Beide zusammen bilden das Holoenzym. Enzyme haben sog. aktive Zentren, die sich mit dem Substrat verbinden, das verändert werden soll. Dieses Zentrum kann auch ein Nichteiweiß sein, z. B. ein Vitamin. |
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Zwei Klassen von Enzymen |
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Prinzipiell unterscheidet man zwei verschiedene Klassen von Hydrogenase-Enzymen. In der ersten Enzym-Klasse besteht das so genannte 'aktive Zentrum', das mit anderen Substanzen in Kontakt tritt und für die Umwandlung des Wasserstoffs verantwortlich ist, aus einem Nickel- und einem Eisenatom.
In der anderen Hydrogenase-Klasse beherbergt das aktive Zentrum zwei Eisenatome. Diese zwei Atome sind durch ein chemisches Band miteinander verknüpft und an andere chemische Gruppen wie Cyanide, Kohlenmonoxid und Schwefelhältigen Verbindungen gebunden.
Diese Verbindungen und Moleküle bilden zusammen das 'Herz' der Hydrogenase, das schließlich noch von einem Protein-Mantel umhüllt ist. Das Team entwickelte eine synthetische Form der Hydrogenase, allerdings ohne die Protein-Hülle.
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Optimiertere Variante |
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Die Forscher sind zuversichtlich, dass es bald möglich sein wird, eine neue synthetische Version der Hydrogenase zu entwickeln, die auch in Wasser löslich ist. Das wäre industriell noch besser nutzbar, als die jetzt konstruierte Variante.
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Die Aussichten |
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Die Kommerzialisierung von Wasserstoff-Technologien ist in Teilbereichen bereits vollzogen. Weltweit sind auf diesem Gebiet - von der Öffentlichkeit fast unbemerkt - über 1.000 Firmen und Forschungsinstitute tätig.
Wasserstoff gewinnt hier als Energieträger immer mehr an Bedeutung. Regenerative Energien stehen meist nicht zum Zeitpunkt bzw. nicht am Ort der Nutzung zur Verfügung. Dieses Problem lässt sich durch intelligente Kombinationen mit Wasserstoff-Anwendungen und Brennstoffzellen ideal lösen.
Photovoltaik, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse, Solarthermie und die Nutzung von Erdwärme werden durch die Kombination mit Wasserstoff und Brennstoffzellen zu einem neuen Wirtschaftsfaktor.
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01.01.2010 |
