„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft" schrieb Jules Verne in seiner Abenteuergeschichte „Die geheimnisvolle Insel“ schon 1875. Heute gilt Wasserstoff als großer Energielieferant. Doch wie lässt sich Wasserstoff umweltschonend herstellen und in großem Maße nutzen?

Eine Antwort auf diese Frage sei Wasserspaltung mit Hilfe von Sonnenlicht, so Prof. Dr. Thorsten Klüner vom Institut für Reine und Angewandte Chemie. „Die durch Sonne beeinflusste Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff könnte bald in umfangreichem Maß zur Energieerzeugung beitragen“, sagt Klüner, der die Arbeitsgruppe „Theoretische Chemie“ leitet. Wasserstoff könne dann im Energiemix der Zukunft eine wichtige Rolle spielen.

Welche chemischen Prozesse ablaufen müssen, damit Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet, das untersucht Klüner in einem eigenen Projekt. „Quantenchemische und quantendynamische Studien zur photokatalytischen Wasserspaltung an Titandioxidoberflächen“, so lautet der Titel, das Projekt ist Teil des kürzlich gestarteten bundesweiten Schwerpunktprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) „Regenerativ erzeugte Brennstoffe durch lichtgetriebene Wasserspaltung“. Die DFG unterstützt Klüners Arbeit mit insgesamt 400.000 Euro.

„Die Verbrennung von Wasserstoff setzt gewaltige Energiemengen frei“, erläutert Klüner den Hintergrund des Projekts. Und statt umwelt- oder klimaschädlicher Lasten, wie bei anderen Verfahren, fiele lediglich reines Wasser an. „Die lichtgetriebene Wasserspaltung – die Photokatalyse – könnte also ein viel versprechender Weg sein, Wasserstoff auf umweltschonende Weise herzustellen“, erläutert Klüner.

Die bislang größte Hürde: geeignetes Material für die Spaltung des Wassers zu finden. Klüner greift inzwischen auf Titanoxid zurück. „Das Mineral kommt in der Natur vor, muss also nicht mehr aufwendig gewonnen werden.“ Außerdem sei es chemisch sehr stabil, nicht toxisch – und hochreaktiv.
 
Auch wenn das richtige Material gefunden ist – die Wasserspaltung an Titandioxidoberflächen ist bislang kaum erforscht. „Die grundlegenden Elementarschritte auf atomistischer Ebene sind weitgehend unverstanden“, sagt Klüner. Die Arbeitsgruppe „Theoretische Chemie“ setzt genau hier an: Sie untersucht die Mechanismen der Wasserspaltung durch Licht auf atomarer Skala. Das erfordert aufwendige quantenchemische Berechnungen, die weltweit einzigartig sind – und die WissenschaftlerInnen in Oldenburg exakt ausführen können, auf dem Oldenburger Großrechner HERO und am Bundeshöchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS).  

Modernste Methoden der Quantenchemie und Quantendynamik, lokale und nationale Supercomputer: Klüner ist zuversichtlich, mit diesem Rüstzeug ein neues Design effizienterer Photokatalysatoren auf der Basis von Titandioxid entwickeln zu können. „Mit diesen Photokatalysatoren sollte es in absehbarer Zukunft möglich sein, die lichtgetriebene Wasserspaltung kommerziell in großem Maßstab zu nutzen.“