Quanteneffekte der Photosynthese

Mit der Photosynthese findet in der Natur ein komplexer Prozess statt, mit dem Pflanzen, Algen oder Bakterien die Energie der Sonnenstrahlung effizient für sich nutzbar machen. Doch wie die Energie etwa in Bakterien auch über relativ weite Strecken transportiert werden kann, war bislang unklar. In der Fachzeitschrift „Physical Review X“ stellen Physiker nun eine mögliche Lösung für dieses Rätsel vor: Offenbar sind speziell angeordnete Nanostrukturen aus sogenannten lichtsammelnden Molekülen, die das Sonnenlicht absorbieren, für den effizienten Energietransport verantwortlich.

Trifft Sonnenlicht auf Pflanzen oder Bakterien, die Photosynthese betreiben, entstehen freie Ladungsträger. Diese elektrischen Ladungsträger entstehen in Paaren aus jeweils einer positiven und einer negativen Ladung und werden Exzitonen genannt. Die Exzitonen speichern die Sonnenenergie und transportieren sie innerhalb der Pflanzen oder Bakterien weiter und legen dabei teilweise Strecken von einigen Mikrometern zurück. Doch wie der Transport genau abläuft, war bislang noch nicht geklärt. Experimente mit sogenannten Purpurbakterien zeigten sogar, dass die Exzitonen mehr als die zehnfachen Strecken zurücklegen können, als sich mit den bisherigen Modellen der Photosynthese erklären ließen.

Andrea Mattioni von der Universität Ulm und seine Kollegen untersuchten die Photosynthese in Purpurbakterien nun genauer und fanden eine mögliche Erklärung für die relativ weiten Transportwege. Die quantenphysikalischen Betrachtungen der Forscher zeigten, dass in den Bakterien spezielle Nanocluster aus den lichtsammelnden Molekülen für den Effekt verantwortlich sind. Denn indem sich die Moleküle zu mehreren benachbarten, dicht gepackten Nanostrukturen anordnen, wird – mittels bestimmter quantenphysikalischer Phänomene – ein Energietransport der Exzitonen über einige Mikrometer möglich.

Diese neuen Erkenntnisse helfen Forschern nicht nur, die natürliche Photosynthese besser zu verstehen, sondern können außerdem die Forschung an Solarzellen weiterbringen. Denn auch in Solarzellen müssen Exzitonen relativ weite Strecken zurücklegen, bis sich ihre elektrischen Ladungen an den Elektroden der Solarzelle abgreifen lassen – und so ein nutzbarer Stromfluss entsteht. Die neuen Ergebnisse lassen sich somit zukünftig womöglich nutzen, um die Effizienz von Solarzellen weiter zu verbessern.