Optimierung molekularer Photoschalter für die Gewinnung von Solarenergie

Molekulare Photoschalter, die Energie sowohl umwandeln als auch speichern können, könnten verwendet werden, um die Gewinnung von Solarenergie effizienter zu gestalten. Einem Forscherteam ist es mithilfe einer Quantencomputermethode gelungen, hierfür eine besonders effiziente Molekülstruktur zu finden. Wie das Team im Journal beschreibt Angewandte Chemie Internationale AusgabeIhr Verfahren basierte auf einem Datensatz von mehr als 400.000 Molekülen, die sie durchsuchten, um die optimale Molekülstruktur für Solarenergiespeichermaterialien zu finden.

Derzeit wird Sonnenenergie entweder direkt zur Stromerzeugung genutzt oder indirekt über die in Wärmespeichern gespeicherte Energie. Ein dritter Weg könnte darin bestehen, die Energie der Sonne zunächst in lichtempfindlichen Materialien zu speichern und sie dann bei Bedarf wieder abzugeben. Das von der EU geförderte Projekt MOST („Molecular Solar Thermal Energy Storage“) erforscht Moleküle wie Photoschalter, die Sonnenenergie bei Raumtemperatur absorbieren und speichern können, um eine völlig emissionsfreie Nutzung der Sonnenenergie zu ermöglichen.

Die Forschungsteams von Kurt V. Mikkelsen von der Universität Kopenhagen (Dänemark) und Kasper Moth-Poulsen von der Technischen Universität Katalonien, Barcelona (Spanien), haben sich die für diese Aufgabe am besten geeigneten Fotoschalter genauer angesehen. Sie untersuchten Moleküle, die als bicyclische Diene bekannt sind und bei Beleuchtung in einen hochenergetischen Zustand wechseln. Das bekannteste Beispiel für dieses bicyclische Diensystem ist das sogenannte Norbornadien-Quadricyclan, es gibt jedoch eine Vielzahl ähnlicher Kandidaten. Die Forscher erklären: „Der resultierende chemische Raum besteht aus etwa 466.000 bicyclischen Dienen, die wir auf ihre potenzielle Anwendbarkeit in der MOST-Technologie untersucht haben.“

Das Screening einer Datenbank dieser Größe erfolgt in der Regel durch maschinelles Lernen. Dafür sind jedoch große Mengen an Trainingsdaten erforderlich, die auf realen Experimenten basieren und über die das Team nicht verfügte. Mithilfe eines zuvor entwickelten Algorithmus und eines neuartigen Bewertungsscores, „eta“, ergab das Screening und die Bewertung der Datenbankmoleküle ein klares Ergebnis: Alle sechs Moleküle mit der höchsten Bewertung unterschieden sich an einem entscheidenden Punkt in der Struktur vom ursprünglichen Norbornadien-Quadricyclan-System. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass diese Strukturänderung, eine Erweiterung der molekularen Brücke zwischen den beiden Kohlenstoffringen im bicyclischen Teil, es den neuen Molekülen ermöglichte, mehr Energie zu speichern als das ursprüngliche Norbornadien.

Die Arbeit der Forscher zeigt das Potenzial zur Optimierung von Solarenergiespeichermolekülen. Allerdings müssen die neuen Moleküle zunächst synthetisiert und unter realen Bedingungen getestet werden. „Obwohl die Systeme synthetisch hergestellt werden können, gibt es keine Garantie dafür, dass sie in relevanten Lösungsmitteln löslich sind und tatsächlich in hoher Ausbeute oder überhaupt photoschalten, wie wir in eta angenommen haben“, warnen die Autoren.

Dennoch hat das Team einen neuen, großen Satz an Trainingsdaten für maschinelle Lernalgorithmen entwickelt und damit den mühsamen Forschungsschritt vor der Synthese für Chemiker, die sich in Zukunft mit solchen Systemen befassen, verkürzt. Die Autoren gehen davon aus, dass dieser viel größere Vorrat an bicyclischen Dienen für die Erforschung von Photoschaltern für eine Vielzahl von Anwendungen von Nutzen sein wird und möglicherweise die Anpassung von Molekülen an spezifische Anforderungen erleichtert.