MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Natur hat ein bemerkenswertes System entwickelt, um Sonnenenergie nahezu verlustfrei in chemische Energie umzuwandeln. Wissenschaftler der Technischen Universität München haben nun herausgefunden, dass Quantenmechanik eine entscheidende Rolle in diesem Prozess spielt.
Die Photosynthese ist ein faszinierender Prozess, bei dem Pflanzen Sonnenlicht in Energie umwandeln. Dieser Prozess ist so effizient, dass er kaum Energie verliert. Forscher der Technischen Universität München haben entdeckt, dass Quantenmechanik eine zentrale Rolle in diesem Prozess spielt. Durch präzise Messungen und Simulationen konnten sie zeigen, wie diese quantenmechanischen Effekte zur Effizienz der Photosynthese beitragen.
Die Fähigkeit, Sonnenenergie effizient zu speichern, ist eine Herausforderung, die Ingenieure seit langem beschäftigt. Doch die Natur hat dieses Problem bereits vor Milliarden von Jahren gelöst. Die Entdeckung, dass Quantenmechanik nicht nur ein Konzept für Physiker ist, sondern auch in biologischen Prozessen eine Rolle spielt, eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien.
Grüne Pflanzen und andere photosynthetische Organismen nutzen Quantenmechanik, um Sonnenlicht mit bemerkenswerter Effizienz zu erfassen und zu übertragen. Professor Jürgen Hauer erklärt, dass, wenn Licht in einem Blatt absorbiert wird, die elektronische Anregungsenergie über mehrere Zustände eines jeden angeregten Chlorophyllmoleküls verteilt wird. Diese Superposition von angeregten Zuständen ist der erste Schritt eines nahezu verlustfreien Energietransfers innerhalb und zwischen den Molekülen.
Dieser Prozess, der allein durch klassische Physik nicht zufriedenstellend erklärt werden kann, findet ständig in grünen Pflanzen und anderen photosynthetischen Organismen statt. Die genauen Mechanismen sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Die Studie von Hauer und Erika Keil bietet eine wichtige Grundlage, um zu verstehen, wie Chlorophyll, das Pigment in Blättern, funktioniert.
Die Anwendung dieser Erkenntnisse auf das Design künstlicher Photosynthese-Einheiten könnte helfen, Sonnenenergie mit beispielloser Effizienz für die Stromerzeugung oder Photochemie zu nutzen. Die Forscher untersuchten zwei spezifische Bereiche des Spektrums, in denen Chlorophyll Licht absorbiert: die niederenergetische Q-Region und die hochenergetische B-Region. Die Q-Region besteht aus zwei verschiedenen elektronischen Zuständen, die quantenmechanisch gekoppelt sind, was zu einem verlustfreien Energietransport im Molekül führt.
Diese Kopplung ermöglicht es dem System, durch “Abkühlung” zu entspannen, indem es Energie in Form von Wärme freisetzt. Die Studie zeigt, dass quantenmechanische Effekte einen entscheidenden Einfluss auf biologisch relevante Prozesse haben können. Diese Erkenntnisse könnten nicht nur das Verständnis der Photosynthese vertiefen, sondern auch neue Wege für die Entwicklung effizienter Technologien zur Nutzung von Sonnenenergie eröffnen.
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