Sonnenbrand gibt Wissenschaftlern eine brillante Idee für die Energiespeicherung, weil die Evolution es zuerst herausgefunden hatte

Die Sonne scheint ja manchmal, in Boston – aber nicht so.

Als die Chemieprofessorin Grace Han vor einigen Jahren zum ersten Mal von Boston nach Südkalifornien reiste, bemerkte sie den Unterschied. Wie ihre Haut nach nur wenigen Stunden im Freien mit den ersten Anzeichen von Reizung kribbelte.

Letztes Jahr zog sie für einen Job an der University of California, Santa Barbara, um und begann regelmäßig einen breitkrempigen Hut, eine Sonnenbrille und reichlich Sonnencreme zu tragen. Als Chemieprofessorin hatte sie bereits ihre Hausaufgaben gemacht.

„Ich las gerade über DNA-Photochemie – aus Vergnügen“, erinnert sie sich.

Da wurde ihr klar, dass DNA-Moleküle in der Haut von Menschen, die durch Sonnenbrand geschädigt werden, ihr helfen könnten. Diese Moleküle ändern ihre Form, wenn sie von der Sonne bestrahlt werden, und verbiegen sich in eine angespannte Version ihrer regulären Form.

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Molekülen, die ihre Form verdrehen können, dabei Energie speichern und dann veranlasst werden können, in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren, um die gespeicherte Energie auf Abruf freizusetzen.

Ein bisschen wie das Aufstellen und spätere Auslösen einer Mausefalle. Dies wird als molekulare solarthermische (Most) Energiespeicherung bezeichnet und ist eine potenziell sehr billige und emissionsfreie Möglichkeit, Wärme zu liefern. Diese Most-Systeme könnten Energie für viele Monate oder sogar Jahre speichern.

Forscher hatten zuvor nur begrenzten Erfolg mit der Technologie, aber dank der kalifornischen Sonne wusste Han, was als Nächstes zu tun war.

Es ist wichtig, die Formänderung der energiespeichernden Moleküle auf glatte, wiederholbare Weise zu aktivieren.

Glücklicherweise hat die Evolution über Millionen von Jahren diesen Prozess perfektioniert, wenn er in unserer Haut abläuft – wir sind alle sozusagen lebende Chemielabore. DNA-Moleküle in unserer Haut haben sich so entwickelt, dass sie ihre sonnenverkrümmte Form mit Hilfe eines Enzyms namens Photolyase reparieren können.

Und solche Moleküle, erkannte Han, waren perfekte Kandidaten für ein Energiespeichersystem. „Sie sind sehr, sehr klein“, erklärt sie. „Und können eine enorme Menge Energie pro Masse speichern.“

In einem im Februar veröffentlichten Artikel beschrieben sie und ihre Kollegen das bisher vielversprechendste Energiespeichersystem dieser Art, zumindest in Bezug auf seine Energiedichte. Es war stark genug, um einen „sehr winzigen Wasserkocher“ in einem Fläschchen schnell eine kleine Menge Wasser verdampfen zu lassen, sagt Han.

Ihre Studenten, die diesen Teil der Studie durchführten, eilten herbei, um ihr zu berichten, wie es lief. „Als ich das Video tatsächlich sah und sah, wie schnell die gesamte Lösung kochte, war das wirklich bemerkenswert“, erinnert sich Han.

Sie betont, dass Computeranalysen, die vorhersagten, wie sich das Molekül verhalten würde, von ihrem Mitarbeiter Kendall Houk an der University of California, Los Angeles, und seinem Team durchgeführt, entscheidend für die Arbeit waren.

Der Most-Experimentator Kasper Moth-Poulsen, der Forschungsteams an der Polytechnischen Universität Barcelona in Spanien und anderen Einrichtungen leitet, war nicht an der Studie beteiligt, zeigte sich aber beeindruckt von den Ergebnissen.

„Ich denke, unsere besten Systeme lagen bei einem Megajoule [Energie pro Kilogramm]. Sie hatten, glaube ich, 1,6, was wirklich erstaunlich ist“, sagt er und bezieht sich auf die Energiedichte, die Han und ihre Kollegen erreichten.

Die 1,65 Megajoule pro Kilogramm, die in ihrem Februar-Artikel verzeichnet wurden, sind deutlich höher als die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien, dem derzeit beliebtesten Batterietyp für Handys und Elektroautos.

Das Most-System, das Han und ihre Kollegen entwickelten, hat jedoch einige Einschränkungen. Zum einen beträgt die Wellenlänge des Lichts, das die Moleküle im Kern des Aufbaus dazu bringt, ihre Form zu ändern, 300 Nanometer – eine Form von „sehr hartem UV-Licht“, sagt John Griffin von der Lancaster University. „Das kommt von der Sonne zu uns, aber nur in sehr geringen Mengen.“

Außerdem war der Auslöser, der verwendet wurde, um die Form des verkrümmten Moleküls umzukehren und seine Energie freizusetzen, Salzsäure – eine hochkorrosive Substanz, die nach Gebrauch neutralisiert werden muss. „Nicht die idealste Wahl“, gibt Han zu.

Sie sagt, sie sei zuversichtlich, dass es möglich sein wird, die Reaktionsfähigkeit des Systems zu verbessern.