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Die Versuchsanordnung liefert Einblicke, wie Licht in chemische Energie umgewandelt wird.

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Wissenschaftliches Rätsel gelüftet Pflanzen wandeln Sonnenlicht in Energie

09.03.2018

Pflanzen können Sonnenlicht mit hoher Effizienz in chemische Energie umwandeln. Jedoch ist bis heute nicht geklärt, wie genau sie das schaffen. Ein quantenphysikalisches Modell der ETH-Physiker soll diese Frage nun beantworten.

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Eines ist klar, Chlorophyll ist bei dem Umwandlungsprozess das entscheidende Molekül. Dank dem grünen Farbstoff gelingt es den Pflanzen, Sonnenlicht direkt in chemische Energie umzuwandeln. In jedem Biologiebuch steht, wie in den pflanzlichen Zellen mit Hilfe von Licht das Molekül ATP erzeugt wird. Dieses ist der zentrale Baustein der Energieversorgung in Pflanzen. Dennoch ist dieser Vorgang für die Wissenschaft nach wie vor ein Rätsel. Vor allem die hohe Effizienz, mit der die Pflanzen das Sonnenlicht umwandeln, lässt die Forscher staunen.

Widerspruch könnte Lösung sein

Experimente, die in den letzten Jahren durchgeführt wurden deuten darauf hin, dass quantenphysikalische Effekte bei der Energieumwandlung eine wichtige Rolle spielen. Diese Effekte fangen die Chlorophyll-Moleküle ein und ermöglichen den Transfer der Energie an die Stellen, wo ATP gebildet wird. All das ohne große Verluste. Die Forscher vermuten, dass in eben diesem scheinbaren Widerspruch der Schlüssel verborgen liegen könnte. Mehrere theoretische Modelle stützen die Vermutung, dass das Zusammenspiel der zwei Welten die hohe Effizienz der Photosynthese erklärt. Jedoch lies sich dies bisher nicht experimentell überprüfen.

Genau diese Lücke wurde nun von Forschern des Departments Physik, am Quantum Device Lab, Wissenschaftlern der University of Cambridge und Princeton University geschlossen. Wie die aktuelle Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications berichtet, wurde von ihnen eine Versuchsanordnung entwickelt, mit der sich die verschiedenen theoretischen Modelle experimentell verifizieren lassen.

Kernstück sind die drei supraleitenden Quantenbits

Bei der Versuchsanordnung handelt es sich um ein einfaches, vollständig kontrolliertes Quantensystem, das im Modellmaßstab eine grundlegende Struktur abbildet, wie sie in pflanzlichen Zellen vorkommt. Das Kernstück des Quantensystems sind drei supraleitende Quantenbits (Qubits), die unterschiedlich stark miteinander gekoppelt sind. Sie repräsentieren Chlorophyll-Moleküle, welche die Lichtenergie aufnehmen und an den ATP-bildenden Enyzmkomplex weitergeben.

Die Versuchsanordnung liefert Einblicke, wie Licht in chemische Energie umgewandelt wird, denn die verschiedenen Parameter können gezielt beeinflusst werden. Das Verständnis dafür ist wichtig, da es dazu beitragen könnte, dass das Licht in Photovoltaikzellen künftig effizienter in Strom umgewandelt wird als bisher.

Effizienter Transport durch schnelle Moleküle

Experimente bestätigen die Vermutung, dass die natürlichen Schwingungen der Chlorophyll-Moleküle eine zentrale Rolle beim Energietransfer spielen. Denn je nach dem, wie schnell sich die Moleküle bewegen, wird die Energie mehr oder weniger effizient transportiert.

Mit den drei gekoppelten Qubits haben die Wissenschaftler eine Anordnung entwickelt, welche die realen Bedingungen in den Pflanzenzellen nur rudimentär abbildet. Nach der realistischen Abbildung der Vorgänge durch das System, wird nun im nächsten Schritt geplant, komplexere Systeme mit mehr Qubits zu bauen, um das Geheimnis der Photosynthese endlich zu lüften.

Bildergalerie

  • Die drei Qubits sammeln Mikrowellenstrahlung aus dem violetten Hohlleiter. Dank dem Rauschsignal, das über die rosa Zuflusslinien eingebracht wird, wird die Energie zum Ausgangsresonator transportiert.

    Bild: ETH Zurich, Quantum Device Lab, A. Potočnik

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