DE19648691A1

DE19648691A1 - Verfahren zur Umsetzung der in wasserstoffhaltigen Stoffen und Sauerstoff gespeicherten freien Reaktionsenthalpie in Energie eines elektrodynamischen Feldes

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Publication number: DE19648691A1
Application number: DE19648691A
Authority: DE
Inventors: Reinhart Dr Radebold
Original assignee: RADEBOLD WALTER DIPL GEOL
Current assignee: RADEBOLD WALTER DIPL GEOL
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1996-11-18
Publication date: 1997-07-17
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: WO1997017828A3; WO1997017828A2; EP0867049A2; DE19648691C2

Description

In der Patentschrift D 195 19 123 wird ein Verfahren beschrieben zur Erzeugung elektrischer Energie aus nachwachsender Biomasse durch elektrochemische Reaktionen in einem chemo elektrischen Wandler zur Erzeugung frequenzvariabler Drehströme im technischen Spannungsbereich.

Das Verfahren orientiert sich an biochemischen Prinzipien der Energiewandlung in lebenden Zellen. Sein Ziel ist, das riesige Potential der durch Photosynthese in den nachwachsenden Rohstoffen gespeicherten Strahlung der Sonne in einem neuartigen chemoelektrischen Wand ler in elektrische Energie umzuwandeln. Sein Vorbild ist die Logistik der Energie in lebenden Systemen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den in der obigen Patentschrift begonnenen Weg zur Erzeugung elektrischer Energie aus nachwachsender Biomasse weiterzugehen mit dem Ziel verbesserter Umsetzung chemischer Energie aus Glucose und Luft in Energie elek trodynamischer Felder zur Anwendung in makroskopischen und mikroskopischen technischen Systemen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in Ergänzung und Abänderung von Reaktionsfolgen, um geringere Verluste an Exergie zu erhalten, die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu erhöhen, eine höhere kurzzeitige Energieabgabe zu ermöglichen, sowie in einer Verringerung von Material und Hilfsbetrieben. Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf einer erweiterten Nachahmung des natürlichen Vorbildes.

Der heutige Stand des Wissens zur Logistik der Energie in lebenden Systemen ist in einer sehr großen Anzahl experimenteller und theoretischer Arbeiten enthalten, die über einen Zeitraum von rund 150 Jahren zusammengetragen wurden. Die wesentlichen wissenschaftlichen Erkenntnisse lassen sich aus bisheriger Sicht wie folgt beschreiben und in Form von zwei grundlegenden Gleichungen darstellen:

Fist alle Lebewesen sind hinsichtlich der Logistik in nahezu gleicher Weise organisiert und an ihr beteiligt. Die Strahlung der Sonne ist die einzige Energiequelle. Da alle lebenden Systeme im Sinne der Thermodynamik offene Systeme darstellen, muß auch eine Energie senke vorhanden sein, um die nicht mehr nutzbare Energie abgeben zu können. Die Senke ist der Weltraum. Die Strahlung wird chemisch in dem dazu fähigen Teil der Lebewesen gespeichert, und umgekehrt wird in allen Lebewesen Nutzarbeit aus chemischer Energie gewonnen. Um diese beiden Aufgaben durchzuführen, hat die Evolution zwei Subsysteme entwickelt: Chloroplasten und Mitochondrien (Fig. 1).

Chloroplasten sind in der Lage, Sonnenstrahlung chemisch zu speichern, wobei als Edukte CO₂ und H₂O verwendet werden. Produkte sind Glucose und Sauerstoff:

(P) Licht + 6 H₂O + 6 CO₂ → C₆H₁₂ + 6 O₂

Die dazu notwendige Folge von elektrochemischen und chemischen Reaktionen wird als Photosynthese bezeichnet. Physikalisch gesehen wird durch die Photosynthese die Energie von Lichtquanten, gleichbedeutend mit der (nichtmateriellen) Energie eines elektrodynami schen Feldes, umgesetzt in chemische (materiell gespeicherte) Energie.

Mitochondrien sind in der Lage, die in Glucose und Sauerstoff gespeicherte chemische Ener gie in Nutzarbeit umzusetzen, wobei der Begriff Nutzarbeit im thermodynamischen Sinne als Arbeitsfähigkeit oder Exergie (available energy) zu verstehen ist:

(R) C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 H₂O + 6 CO₂ + Nutzarbeit

(Im folgenden wird der Begriff freie Reaktionsenthalpie verwendet werden; die freie Enthal pie ist die chemische Form der Exergie).

Die dazu notwendige Folge von chemischen und elektrochemischen Reaktionen wird als Respiration oder Atmung bezeichnet. Die in Glucose und Sauerstoff gespeicherte chemi sche Energie wird wiederum durch Änderung der Konfiguration der (materiellen) Träger freigesetzt, und zwar in Form der (nichtmaterielle) Energie eines elektrodynamischen Feldes in einem Organismus. Das elektrische Feld wirkt beispielsweise in Form der elektrischen, nach außen ableitbaren Impulse von Herz, Nervensystem und Gehirn, und ist auch direkt in Form des fast weißen (unbunten) Lichtes, das beispielsweise von Leuchtorganismen ausge sandt wird, zu erkennen.

Zu beachten ist, daß mit diesen beiden Reaktionsfolgen ein Energietransfer von einer weit außerhalb der Zelle gelegenen Energiequelle in die Zelle geschieht; das aber ist keine Ein bahnstraße, denn - wie bekannt - kann zumindest auch ein Chloroplast Strahlung nach außen abgeben, um seine interne Energiebilanz auszugleichen. Beide, Chloroplasten und Mito chondrien sind in fast jeder Zelle der Lebewesen mehrfach vorhanden, Chloroplasten und Mitochondrien in Pflanzen, ausschließlich Mitochondrien in Tieren. Die Logistik der Ener gie von lebenden Systemen ist also streng dezentral organisiert, mehrfach redundant abge sichert und in den Mikrokosmos verlagert. Die Schnittstelle zwischen Chloroplasten und Mitochondrien, damit auch zwischen Pflanzen und Tieren, ist eindeutig definiert durch Glucose und Sauerstoff in der einen Richtung, und durch H₂O und CO₂ in der anderen Rich tung. Alle anderen Stoffe, die ein Lebewesen für seine Existenz benötigt, werden in nachge ordneten Reaktionen aufgenommen und übertragen, wobei die dafür notwendige Exergie der Glucosereaktion entnommen wird.

Der Stand der Technik ist durch die Patentschrift DE 195 19 123 gekennzeichnet. Das dort vorgestellte Verfahren ist in Fig. 2 in Form eines Flußbildes dargestellt. Fig. 3 zeigt eine Aus führungsform. Der Stand der Technik läßt sich anhand dieser Darstellung und der voran gegangenen Erläuterungen leicht beschreiben. Von der Logistik der Energie in lebenden Systemen wird ausschließlich die Atmung, also die Reaktionsfolge, die sich in Zellen mit Einschluß der Mitochondrien vollziehen, berücksichtigt. Für das Verfahren übernommen wird die Verwendung von Glucose und Sauerstoff als den generellen Trägern chemischer Energie, wie sie an der Schnittstelle zwischen Pflanzen und Tieren auftreten. Dabei aber wird vornehmlich auf diejenige Glucose zurückgegriffen, die als Baustoff in Pflanzen, und zwar in Form von Cel lulose und anderen Polysacchariden eingebaut wurde. Für das Verfahren übernommen wird des weiteren die Spaltung der Glucose in C3-Bruchstücke und weiter die Bereitstellung von 2 H als Donoren für Elektronen und Protonen sowie die Verwendung von O₂ als Akzeptor für Elektronen und Protonen. Reaktionszentren wirken sowohl topologisch als auch katalytisch, um Reaktionen in der gewünschten Weise ablaufen zu lassen. In der Patentschrift DE 195 19 123 sind aber auch Maßnahmen beschrieben, die auf eigenen Erkenntnissen zur Logistik der Energie beruhen. So wird die Redoxreaktion in der Atmungskette als nicht unterteilt angese hen und unmittelbar zur Auskopplung elektrischer Energie über Elektroden verwendet. Die Atmungskette erscheint also in dieser Sicht als ein chemoelektrischer Wandler, in technischer Terminologie als Brennstoffzelle. Die vornehmlich aus der Technik her gewonnenen Er kenntnis, daß molekularer Sauerstoff in zwei Stufen als Akzeptor für jeweils 2 Elektronen und 2 Protonen dienen kann, wird dadurch genutzt, daß H₂O₂ durch Reduktion von molekularem Sauerstoff unter Verwendung der C3-Zucker außerhalb des eigentlichen Wandlers gebildet und der chemoelektrischen Reaktion zugeführt wird. Auf diese Weise wird die alleinige Nut zung der zweiten Stufe erreicht.

In technischer Hinsicht werden, um die notwendige Oberfläche der Elektroden für die Aus kopplung elektrischer Leistungen im Bereich bis 10 kW zu ermöglichen, Kohlepartikel in ei nem Wirbelbett eingesetzt, die ihre Ladung an jeweils eine Zentralelektrode abgeben. Neu ist auch die Übernahme der Erkenntnis, daß das Diaphragma, der Zellmembran mit ihren Ionen kanälen entsprechend, für die Kontrolle des Protonenstromes ausgenutzt werden kann, um periodische Änderungen des Elektronenstromes zu erzwingen und um die Transformation zu höheren Spannungen zu ermöglichen. Neu ist auch die Verkettung mehrerer derartiger che moelektrischer Wandler zu mehrphasigen Drehstromsystemen.

Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es notwendig, den Weg aufzuzeigen, der zu ihr geführt hat. Aufgabe der Erfindung ist es, chemische Energie in Feldenergie technisch vor teilhaft umzusetzen, und zwar so, wie sie in der Natur in allen lebenden Organismen ähnlich durchgeführt wird. Eine solche Aufgabe läßt sich nur lösen, wenn die Prinzipien der Umset zung nicht nur in ihren Grundzügen sondern auch in ihren Einzelschritten weitgehend verstan den sind. Das ist aber nicht der Fall. Die heutige Lehrmeinung ist nicht in der Lage, die bisher aufgeklärten Einzelschritte so zu einer konsistenten Gesamtsicht zusammenfügen, um noch offene Fragen daraus beantworten zu können. Sie vermag wesentliche Fakten, die bei dieser Umsetzung auftreten, nicht zu erklären. Es seien zwei markante Beispiele genannt. Das eine ist die Wasserspaltung im Photosystem II - also einer der Pfeiler der Photosynthese - die trotz aller Bemühungen bisher nicht aufgeklärt werden konnte. Das andere Beispiel ist die Erzeu gung von unbuntem Licht in biologischen Systemen über ATP (Adenosintriphosphat), das als universeller Energieträger in allen lebenden Organismen angesehen wird: Die freie Reak tionsenthalpie von rund 30,5 kJ/mol, die bei der Hydrolyse von ATP bei pH = 7 frei wird, reicht auch nicht angenähert aus, um Lichtquanten im sichtbaren Bereich des Spektrums von mehr als 177 kJ/Einstein zu erzeugen.

Die heutige Lehrmeinung bietet für die gestellte Aufgabe keine Anleitung zum Handeln. Für die vorliegende Erfindung war es daher notwendig, in einem ersten Schritt die Logistik der Energie in lebenden Systemen in ihren wichtigen Einzelschritten zu verstehen, und zwar auf theoretischem Wege, auf der Basis vorliegender experimenteller Ergebnisse und Daten. Dies geschah, indem die Prinzipien dieser Logistik, wie sie die Natur vor rund 1 Mrd. Jahren ent wickelte, quasi nacherfunden wurden. Die heute bekannten Reaktionsfolgen wurden mit den theoretischen Werkzeugen, wie sie der Physik zur Verfügung stehen, durchgerechnet. Wenn notwendig wurden die entsprechenden Hypothesen korrigiert. Werkzeuge der Physik sind die beiden Hauptsätze der Thermodynamik, angewendet auf offene Systeme, damit verbunden die Verwendung thermodynamischer Funktionen wie freie Enthalpie(differenz) ΔG, elektrochemi sches Potential Δε_R, Gesamtenthalpie(differenz) ΔH, Entropie(differenz) ΔS. Daraus abgelei tet werden Gleichgewichtskonstanten. Auf der Seite der Elektrodynamik stehen die MAXWELL′schen Gleichungen zur Verfügung. Thermodynamische Daten und elektrochemi sche Potentiale wurden ausschließlich aus zwei bekannten und als zuverlässig geltenden Kom pendien entnommen [Handbook of Chemistry and Physics, 58th Edition, D-67 bis D-79 und D-141 bis D-146 Stull; Westrum; Sinke: The Chemical Thermodynamics of Organic Compounds]. Im Verlauf dieser Arbeiten wurden einige Erkenntnisse von möglicherweise zentraler Bedeutung gefunden.

Fig. 4 und 5 zeigen den Weg der Glucose bis zur Erzeugung von ATP nach dem heutigen Stand des Wissens. Die Summengleichungen (R) und (P) wurden schrittweise aufgefächert; die dabei auftretenden freien Reaktionsenthalpien ΔG_R und die Reaktionsenthalpien ΔH_R wur den berechnet und sind in der rechten Spalte aufgelistet. Es lassen sich auf diese Weise Bilan zen bilden und Reaktionsfolgen kontrollieren.

Der entscheidende neue Gedanke gründet sich auf die Analyse der drei Gleichungen (RE), (RG) und (RR) für den Exergiegehalt des Glucose-O₂-Systems, für den Abbau der Glucose und für ihre Umsetzung in der Atmungskette. Die Analyse zeigt, daß für den Eigenbedarf an Exergie für den Glucoseabbau (RG) nur insgesamt -31,5 kJ/mol Glucose zur Verfügung gestellt werden. Das ist verglichen mit dem Gesamtumsatz nach (RE) nur 1%. Um dieses Ergebnis unmittelbar nachvollziehbar zu machen, sind die drei Gleichungen (RE), (RG) und (RR) zusammen mit den verwendeten Bildungsenthalpien nachfolgend aufgeschrieben.

Da der Abbau sehr bald über C3-Moleküle läuft und dabei auf zwei parallelen Wegen jeweils etwa 16 Reaktionen durchlaufen werden, kommt man auf einen Wert von im Mittel -1 kJ pro Reaktion. Das aber bedeutet, daß die Reaktionskonstanten aller Abbaureaktionen im Mittel etwa 1,5 betragen, mit der Konsequenz, daß Produkte in ihrer Konzentration nur unwesentlich höher als die der Edukte liegen. Das muß eigentlich auch so sein, weil der umgekehrte Weg, Aufbau von Glucose aus CO₂ und 2H, in fast gleicher Weise erfolgt. In krassem Gegensatz dazu steht aber, daß, wenn ATP nach heutiger Lehrmeinung der eigentliche interne Energie träger in Zelle und Mitochondrion ist, ein vergleichsweise sehr hoher Verlust an Exergie auf tritt; er liegt bei fast 60% der zur Verfügung stehenden Exergie.

Bei der Analyse wurde sorgfältig unterschieden zwischen dem Eigenbedarf an Exergie für die Konzentrierung der Produkte, wie er bei dem Glucoseabbau bzw. -aufbau gefordert ist, und den Verlusten an Exergie bei der Bildung von ATP. Die Phosphorylierung in der Atmungs kette ist irreversibel, die nicht genutzte Exergie muß in Wärme übergehen. Eine solche Tat sache steht im Widerspruch zu der hohen Effektivität beim Glucoseabbau (und dürfte die Möglichkeiten einer Zelle, Verlustwärme in dieser Höhe loszuwerden, übersteigen).

Die Reaktion (RR) beschreibt die Vorgänge in der Atmungskette, präziser: in der Elektronen transportkette. Die Potentialdifferenz wird in der Biochemie aus obiger Gleichung zu Δε°_R = -1,2292 V berechnet, unter der Voraussetzung, daß jeweils 4 Elektronen (und 4 Proto nen) die Kette durchlaufen, und O₂ als ihr Akzeptor auftritt. Es wird des weiteren angenom men, daß wenigstens 3 Teilreaktionen hintereinandergeschaltet sind, in denen jeweils ADP + H₃PO₄ zu ATP + H₂O mit den oben erwähnten Verlusten phosphoryliert werden. Wie das im einzelnen geschieht, hat MITCHELL mit seiner chemiosmotischen Hypothese zu erklä ren versucht; er geht dabei von einem Protonengradienten aus, der von der Elektronentrans portkette aufgebaut werden soll.

Aus Erfahrung insbesondere mit der Elektrochemie von H₂/O₂-Brennstoffzellen (chemoelek trischen Wandlern) ist bekannt, daß O₂ zwar 4(e⁻ + H⁺) akzeptieren kann, daß aber bereits das erste Elektron-Proton-Paar den Akzeptor O₂ chemisch verändert:

Der neue Akzeptor für das nächste Elektronenpaar ist H₂O₂:

Der obere Wert Δε°_R gilt jeweils für pH = 0 in wäßriger Lösung unter Standardbedingungen. Der untere Wert Δε_R gilt für konzentrierte, wasserarme Lösungen.

Man kann auch O als den eigentlichen Akzeptor dieser zweiten Stufe ansehen, der durch H₂O₂ vom Wasser transportiert wird gemäß

Die wesentliche Aussage dieser Reaktionsfolge ist, daß die in den beiden Stufen umgesetzte elektrische Energie sehr unterschiedlich ist: In der ersten Stufe werden rund 25%, in der zwei ten Stufe rund 75% der insgesamt zur Verfügung stehenden chemischen Exergie umgesetzt. Die Konsequenz aus obiger Überlegung ist, daß das Potential der Elektronentransportkette zwischen diesen beiden Werten oszillieren müßte, je nachdem, welche Form der Akzeptor zu diesem Zeitpunkt aufweist. Im zeitlichen Mittel jedoch ergäbe sich Δε°_R(Mittelwert) = (-0,684-1,776)/2 = -1,23 V.

Eine solche Beobachtung liegt nicht vor. Offenbar berücksichtigt die Biochemie die Zwei stufigkeit des Sauerstoffpotentials nicht und kommt somit in Widerspruch zur Betrachtungs weise der Elektrochemie. Der neue Gedanke, der aus diesem Dilemma führt, ist sehr einfach, hat aber weitgehende Konsequenzen. Dies gilt nicht nur für das Verständnis der Logistik der Energie in lebenden Organismen, sondern auch für die Übertragung in die Technik.

1. Die Elektronentransportkette als chemoelektrischer Wandler funktioniert nur mit einer ein zigen Stufe, und zwar mit der zweiten Stufe mit H₂O₂ bzw. O als Akzeptor. Die Umgebung im Mitochondrion ist nichtwäßrig. Ihre Potentialdifferenz ist dann Δε°_R = -1,8438 V. Die freie Reaktionsenthalpie der ersten Stufe wird in der Natur nicht chemoelektrisch genutzt sondern transferiert und an anderer Stelle eingesetzt - wie, wird weiter unten erläutert wer den. (WARBURG hat darauf hingewiesen, daß H₂O₂ das primäre Produkt des von ihm ent decken Atmungsfermentes, eines Flavinenzymes im letzten Teil der Elektronentransport kette, mit O₂ ist.) Die Elektronentransportkette besteht auch nicht aus drei hintereinander geschalteten Abschnitten, sondern nur aus einem. Es arbeiten also sechs parallele Stränge der Elektronentransportkette parallel.
2. Arbeitet die Elektronentransportkette als chemoelektrischer Wandler, tritt in ihr im Betrieb notwendigerweise ein Protonengradient quer zur Membran auf. Er ist aber Folge, nicht Ursache der Erzeugung von internen Energieträgern. Ungeachtet der Existenz des Proto nengradienten scheidet ATP als nicht-elektrisches Produkt der Elektronentransportkette aus; der Wirkungsgrad der Phosphorylierung wäre wegen der zur Verfügung stehenden viel hö heren elektrischen Energie noch geringer. Die chemiosmotische Hypothese wird gegen standslos. Da aber die Natur elektrische Energie nicht über ein Leitungsnetz ableiten kann, bleibt nur der Schluß, daß die elektrische Energie der Elektronentransportkette zur Aufla dung eines Moleküls eingesetzt wird, das die Funktion einer Batterie hat.
3. Die elektrische Energie, die zur Aufladung eines solchen Batteriemoleküls zur Verfügung steht, entspricht der freien Reaktionsenthalpie der zweiten Stufe (RR2) und beträgt ΔG_R = -355,8 kJ/mol. Welchen Einfluß der pH-Wert und ein waßriges oder nichtwäßriges Medium haben, wird weiter unten erläutert.

Die hier vorgestellte Hypothese eines Batteriemoleküls ist nur dann sinnvoll, wenn sie einer seits die Wasserspaltung in der Photosynthese, andererseits die Erzeugung sichtbaren Lichtes erklären kann. Die Hypothese leistet beides, was sich im Rahmen der Photosynthese zeigen läßt.

4. Die Wasserspaltung geschieht in Umkehrung von (RR2). Das Batteriemolekül wird in der Photosynthese durch im einfachsten Fall 2 Lichtquanten aufgeladen, deren Energie jeweils -355,8/2 = -177,9 kJ/Einstein beträgt. Die Wellenlänge entspricht 672,4 nm und liegt so mit im Maximum der Absorption vom Komplex P 680. Es überträgt seine elektrische Ener gie auf 2H₂O-Moleküle, um die Spaltung zu ermöglichen. Die dabei gemäß Gleichung (RR3) freiwerdenden beiden O rekombinieren sich zu O₂; die dabei entstehende Reaktions enthalpie von ΔG_R = -237,2 kJ/mol O₂ wird durch Lichtquanten abgestrahlt.

Es ist zweckmäßig, sich dem Konzept eines Moleküls, das die Funktion einer wiederauflad baren Batterie hat, das sich also renormieren läßt, von einer anderen Warte aus zu nähern. Betrachtet man die Umsetzungen, wie sie durch die Summengleichung (P) der Photosynthese und durch die Summengleichung (R) der Atmung beschrieben werden, so fallen Symmetrie und Umkehrbarkeit auf. Es fällt aber auch auf, daß eine Wechselwirkung zwischen Feld und Materie beschrieben wird (wie sie in den Chloroplasten einerseits und in der Atmungskette an dererseits abläuft), ohne aber auf den eigentlichen Mechanismus einzugehen: Glucose und Sauerstoff als chemische, materielle Langzeitspeicher für die Feldenergie sind beides Stoffe, die zu einer unmittelbaren Wechselwirkung mit einem elektrischen Feld offensichtlich nicht fähig sind. Der entscheidende neue Gedanke trägt der Tatsache Rechnung, daß in der Kette der Umsetzungen, beispielsweise bei der Photosynthese, ein weiterer Stoff existieren muß, der offenbar die Funktion eines Kurzzeitspeichers hat, und der in der Lage ist, elektrische Energie aufzunehmen, zwischenzuspeichern und als chemische Energie für die Langzeitspeicherung auch wieder freizusetzen. Der gleiche Stoff muß bei der Atmung in umgekehrter Weise funktionieren.

Dieser Stoff als Molekül muß also in genau gleicher Weise wie eine wiederaufladbare Batterie auf der einen Seite 2 Elektronen aufnehmen und auf der anderen Seite 2 (positive) Elektronen löcher bilden können. Das Molekül muß zum einen mit einem elektrischen Feld wechselwir ken, zum anderen die von ihm aufgenommene Feldenergie in Form freier Reaktionsenthalpie chemisch speichern können, was nur durch die Änderung seiner Konfiguration möglich ist. ATP kann das nicht. Die eine Hälfte des Moleküls wird beim Aufladen reduziert, die andere Hälfte oxidiert: Es finden zwei Redoxreaktionen in einem Molekül statt. (Darauf, daß ein solches Molekül auch außerhalb der Biochemie existiert und wie es zustande kommt, wird weiter unten eingegangen werden).

Das neue Konzept, wie es hier im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgestellt wird, wirft zwei Fragen auf 1. wie sieht das Molekül aus und warum wurde es bisher nicht gefunden, und 2. wie fügt sich das Molekül, das eine wiederaufladbare Batterie darstellt, im Detail in die Reaktionsfolgen der Photosynthese ein?

Das Molekül kann keine andere Grundlage haben als die bisher bekannten Moleküle, die in Chloroplasten und Mitochondrien eine wesentliche Funktion als Überträger haben. Wenn man in Betracht zieht, daß es (hydrophobe) Bereiche gibt, die keine wäßrige Lösung darstellen, so kann man ADP und H₃PO₄ auch noch auf eine andere Weise koppeln als es bei der Phosphory lierung beschrieben wird. Diese andere Kopplung ist nur in einer elektrochemischen Reaktion möglich, und sie besteht in der Bildung eines Peroxides. Bei dieser Reaktion werden jeweils zwei Elektronen und zwei Protonen unter Einspeisung von freier Reaktionsenthalpie den beiden Partnern entnommen. Auf der anderen Seite sind die beiden Ringe des Adenins zusam men oder der Pyrimidinring für sich fähig, wie andere Ringsysteme zwei Elektronen als π-Elektronen zu speichern. Um die beiden Ladungen zu kompensieren, muß ein Kation anwe send sein, beispielsweise Mg²⁺, wie es ja von Mg-ADP transportiert wird. Sein bisheriger Platz wird durch die beiden Protonen eingenommen, die bei der peroxidischen Kopplung frei werden. Das renormierbare oder wiederaufladbare Batteriemolekül hat also theoretisch die in Fig. 6 gezeigte Form.

Das Batteriemolekül wird am besten beschrieben durch die Formel 2π-Mg-ATP-O. Das ange hängte O charakterisiert die peroxidische Bindung und macht gleichzeitig deutlich, daß mit diesem Molekül praktisch ein radikalisches O - wenn es freigesetzt wird - als Elektronen akzeptor transportiert wurde. Das Molekül trägt seine beiden positiven und negativen Ladun gen (positive Ladungen sind Elektronenlöcher) nach außen neutral, und ist insbesondere intern gegen Rückreaktionen (internen Kurzschluß) gesichert. Die bisherigen Erkenntnisse zur Auf klärung der ATP-Synthase werden dadurch nicht betroffen und fügen sich in das Konzept nahtlos ein bis auf die Art der Energieeinspeisung. Der F₀/F₁-Komplex entspricht nunmehr einer Steckdose, an der die Potentialdifferenz der chemoelektrischen Reaktion genutzt wird.

Der Grund, warum man dieses Molekül bisher nicht finden konnte, liegt darin, daß es, wie unter Punkt 4 ausgeführt, in wäßriger Lösung nicht existenzfähig ist: Es reagiert mit Wasser zu Wasserstoff und Wasserstoffperoxid in Umkehrung der Reaktion (RR2) und erscheint dabei als Mg-ADP und Phosphorsäure.

Interessanterweise kann ein Grundsatzexperiment, das LEHNINGER vor vielen Jahren durch führte, und womit er die Rolle des ATP als eines universellen Energieträgers der Zelle zu bestätigen schien, unter dem obigen Aspekt auch anders gedeutet werden. Mitochondrien, die aerob mit NADH₂ inkubiert wurden, und die vorher mit Wasser tonisch behandelt wurden, zeigten eine fast sofortige Phosphorylierung von ADP und H₃PO₄ zu ATP. Das Verhältnis von (AT)P/O betrug 3. Nach der hier vorgestellten Hypothese ist nichts anderes zu erwarten, da die gebildeten 2π-Mg-ATP-O sofort wieder zerfielen, wodurch der Faktor 3 bedingt ist.

Diese Art der Wasserspaltung leitet über zur Rolle des 2π-Mg-ATP-O bei der Photosynthese, wie es bereits skizziert wurde. Da die Primärreaktion der Photosynthese in der Aufladung des Batteriemoleküls liegt, und da die Quantenenergie von 1,8438 eV der Potentialdifferenz zur Ladung des Batteriemoleküls entspricht, ist nur ein Photosystem erforderlich.

Um molekularen Sauerstoff O₂ zu erzeugen, muß das 2π-Mg-ATP-O mit 4H₂O reagieren, so daß insgesamt 4H und 2H₂O₂ entstehen. Die 4H gehen in die Dunkelreaktion. Die 2H₂O₂ katalytisch etwa durch Peroxidase oder ein ähnliches Enzym zersetzt, geben Anlaß für die Rückstrahlung. Fig. 7 zeigt die Absorptionsspektren von Chlorophyll a, b und Carotin.

1. Die Exergie des 2π-Mg-ATP-O, über 1 Quant abgestrahlt, führt auf eine Wellenlänge von 336,2 nm. POPP hat diese UV-Strahlung in lebenden Organismen gemessen.
2. Die Exergie der O-O-Rekombination, über 1 Quant abgestrahlt, führt auf eine Wellenlänge von 503,4 nm. Sie liegt im Maximum der Absorption des Carotin.
3. Die Exergie der O-O-Rekombination, wenn über den Umweg von Singulett-Sauerstoff abgestrahlt, ergibt zwei Wellenlängen von 633 nm und 704 nm. Singuiett-Sauerstoff wird als Produkt der Photosynthese gefunden.
4. Die Exergie der O-O-Rekombination, wenn über 2 Quanten abgestrahlt, führt auf eine Wel lenlänge von 672 nm.

Die Farbtafel (Fig. 8) zeigt, daß Licht zweier Spektralfarben unbuntes, d. h. weißliches Licht ergibt. Licht der beiden Wellenlängen 672 nm bzw. 704 nm und 504,3 nm führt auf den Unbuntpunkt A. Damit ist gezeigt, daß Zellen unbuntes Licht aussenden können, wie das an verschiedenen Organismen beobachtet wird. Es läßt sich eine weitere Schlußfolgerung ziehen. Das Photosystem I und Carotin haben offenbar die Funktion, die Rückstrahlung des Photosystems II zu nutzen und der Photosynthese wieder nutzbar zu machen. Photosystem II und Photosystem I arbeiten parallel.

Die Folgerung aus dem neuen Konzept ist, daß ADP in der lebenden Zelle in Form seiner Magnesiumverbindung bei der Energieübertragung nicht eine sondern zwei wichtige Funktio nen hat. Die eine ist, zusammen mit H₃PO₄ der Transport von H₂O in einer hydrophoben Um gebung mit der gleichzeitigen Übertragung einer geringen Energiemenge. Die zweite Funktion des ADP ist, wiederum zusammen mit H₃PO₄ und in einer hydrophoben Umgebung, die Bil dung des 2π-Mg-ATP-O als eines chemoelektrischen Kurzzeitspeichers für das Lichtquan tenäquivalent bei 672,4 nm; es werden 355,8 kJ/mol transportiert und eine elektrische Poten tialdifferenz von 1,4838 V in einer geeigneten Struktur zur Verfügung gestellt. Einsatzgebiete sind insbesondere die Energieversorgung von Muskeln, Nervensystem, Gehirn, und die Lichterzeugung.

Die biochemische Forschung steht vor dem Dilemma, daß sie die meisten Untersuchungen von Reaktionsfolgen und weiter zur Bestimmung thermodynamischer Daten, insbesondere in Form von Potentialmessungen bei Redoxreaktionen, in wäßrigen Lösungen durchführt. Als Bezug wurde eine wäßrige Lösung mit einem pH von 7 gewählt, womit sie sich von den in der Che mie üblichen Zuständen und Angaben über chemoelektrische Potentiale unterscheidet, dort sind die Angaben auf pH = 0 (besser: a_H+ = 1) und pH = 14 (a_OH- = 1) bezogen. Das eigentli che Problem liegt jedoch nicht in der Umrechnung auf die Normzustände sondern darin, daß das Wasser als Lösungsmittel in wäßrigen Systemen Reaktionspartner ist außer im sauren Bereich. Dies drückt sich am einfachsten aus in der heute üblichen Formulierung chemoelek trischer Reaktionen für die drei Zustände pH = 0, pH = 7 und pH = 14. Beispielsweise gilt bei der bekannten Freisetzung von Elektronen aus molekularem Wasserstoff:

Scheinbar spielt H₂O für die Reaktion bei pH = 0 keine Rolle. Man muß jedoch beachten, daß dort Protonen als H₃O⁺ vorliegen.

Die drei Gleichungen beschreiben die Potentialdifferenz zwischen der negativen Elektrode eines chemoelektrischen Wandlers und einer Normalwasserstoffelektrode (NHE). Ergänzt man diese drei Gleichungen durch die entsprechenden Gleichungen für die zweistufige Reduk tion des O₂-Moleküls an der positiven Elektrode des gleichen chemoelektrischen Wandlers und trägt dann die so erhaltenen Potentialdifferenzen graphisch auf, erhält man das Diagramm von Fig. 9. Aus diesem Diagramm lassen sich einige wesentliche Sachverhalte verdeutlichen, wie sie wie sie in technischen Systemen (Brennstoffzellen) auftreten, und wie sie zum Verständnis biologischer Systeme wichtig sind.

Da in allen drei Bereichen die Summengleichung der Reaktion (RR): 4H + O₂ → H₂O unab hängig vom pH-Wert gilt, muß auch theoretisch die Summe aller einzelnen Potentialdifferen zen unabhängig vom pH-Wert sein. Rein rechnerisch ergibt sich aus der freien Reaktions enthalpie von -474,4 kJ/FU der bekannte Wert von Δε_R = -1,2292 V (Fig. 9, Kurve a). Die einzelnen Potentialdifferenzen sind jedoch abhängig vom pH-Wert, und zwar im Bereich der wäßrigen Lösungen zwischen pH = 0 und pH = 14, weil die OH⁻-Ionen Reaktionspartner sind und durch ihre Rekombination mit Protonen Exergie frei wird. Da die Summe der Potential differenzen konstant ist, zeigen der Verlauf der Potentiale an der negativen und an der positi ven Elektrode wie bekannt entgegengesetztes Verhalten (Fig. 9, Kurven b und c). Die Kurve c für die Sauerstoffelektrode stellt notwendigerweise ein Mischpotential dar; es ergibt sich aus den parallelen Kurven (d) für die erste Stufe und (e) für die zweite Stufe. Der Übergang von der ersten zur zweiten Stufe, der in makroskopischen Systemen insbesondere bei Belastung der Brennstoffzelle Schwierigkeiten bereitet, ist Ursache für die in der Praxis oft sehr viel geringeren Potentialdifferenzen.

Es ist notwendig zu erkennen, daß der Transfer von Protonen und OH⁻-Ionen für die drei Zustände unterschiedlich ist. Für pH = 0 werden lediglich Protonen durch das Diaphragma des chemoelektrischen Wandlers oder durch die Membran des entsprechenden biologischen Systems transferiert. Für pH = 7 werden sowohl Protonen als auch OH⁻-Ionen in gleicher Anzahl, aber in umgekehrter Richtung transferiert. Für pH = 14 müssen ausschließlich OH⁺-Ionen transferiert werden. Letztere sind sehr viel größer als Protonen, und auch ihre Beweglichkeit ist sehr viel geringer im Vergleich zu Protonen. Ein technisches System für pH = 0 ist also am einfachsten zu realisieren, moderne PEM (Proton Exchange Membran) - Brennstoffzellen folgen dieser Erkenntnis. Für das folgende wichtig ist der Sprung der Poten tiale beim Verlassen wäßriger Lösungen; er ist hier an der Stelle pH = 0 eingezeichnet. Er ist darauf zurückzuführen, daß die freie Bildungsenthalpie von H₂O₂ als dem ersten Reaktionspro dukt in wasserfreier Umgebung statt -131,6 nunmehr -118,6 kJ/mol beträgt. Dieser Unter schied aber ist wesentlich, denn er gestattet die Aufladung der Batteriemoleküle in der zweiten Stufe eines supersauren chemoelektrischen Wandlers mit ausgeglichener Bilanz für die Exergie durchzuführen.

Wenn aber in lebenden Systemen Bereiche existieren, die weitgehend hydrophob sind, und in denen keine wäßrigen Lösungen vorhanden sind, müssen die dort ablaufenden Reaktionen anders ablaufen als im Reagenzglas, denn Wasser scheidet als Reaktionspartner aus. Zumin dest also müssen auch die dort auftretenden elektrochemischen Potentiale andere Werte haben; das zeigt Fig. 9. Wenn man also den Bereich der wäßrigen Lösungen verläßt und in den pH-Bereich negativer Werte eintritt - das bedeutet in supersaure Medien - dann ändern sich auch die exergetischen und sonstigen Verhältnisse entscheidend. Fig. 10 zeigt die üblichen pH-Konzentrationsdiagramme (Pufferungskurven), die hier in den negativen Bereich (und damit in den supersauren Bereich) hineinreichen. Man sieht, daß insbesondere Phosphorsäure super sauer sein kann, was zur Folge hat, daß sie sich selbst protoniert und damit zu einem ausge zeichneten Protonenleiter wird. Es gibt jedoch einen viel näher liegenden Grund, sich über wäßrige und nichtwäßrige Systeme Gedanken zu machen, und der liegt bei der Interpretation der freien Reaktionsenthalpien der ATP-Bildung, des Wasserstofftransportes durch NAD und der Elektronenübertragung von Cytochromen. Würde man die Phosphorylierung von ADP zu ATP beispielsweise bei pH = 1 durchführen, so wäre die freie Reaktionsenthalpie fast 0. In einem solchen Fall kann man schwerlich ATP als Energieüberträger in der Zelle ansehen. Ein weiteres Beispiel: Die freie Reaktionsenthalpie der Wasserstoffaufnahme durch NADH beträgt bei pH = 7 rund -0,32 eV, entsprechend rund -61,7 kJ. Anschaulich gesehen wird also bei der Wasserstoffaufnahme unter diesen Bedingungen ein beträchtlicher Anteil an Exergie frei, der wieder aufgewendet werden muß, wenn der Wasserstoff vom Überträger abgegeben werden soll: Er liegt dann doppelt so hoch wie der für die Phosphorylierung aufzubringende Anteil. Es ist kaum vorstellbar, daß diese Verhältnisse in lebenden Systemen, die, wie wir gezeigt haben, äußerst rationell hinsichtlich des Exergieaufwandes arbeiten, anzutreffen sind.

Das Konzept des wiederaufladbaren Batteriemoleküls gibt Antwort auf wichtige Fragen, die aber im Rahmen der Biochemie (soweit bekannt) bisher nicht gestellt wurden. Wie macht es die Natur, daß sie die Freisetzung der Exergie ihrer Überträgermoleküle sozusagen auf Kom mando durchführt? Geht man von ATP als dem eigentlichen Energieüberträger laut Lehrmei nung aus, bei dessen Erzeugung H₂O freigesetzt wird, so steht man vor dem Problem zu ver stehen, wie in diesem Falle die sofortige Rückreaktion - also die Hydrolyse - verhindert wird (aus der Technik ist das Problem der spontanen Rückreaktion wohl bekannt, und es erfordert beispielsweise in der Halbleitertechnik erheblichen Aufwand, um Solarzellen vor allzugroßen internen Verlusten zu bewahren). Beim ATP geht die Frage aber weiter. Wie erreicht die Natur beispielsweise in Muskelzellen, daß sämtliche ATP-Moleküle gleichzeitig die Hydrolyse durchführen?

Das Problem der Rückreaktion tritt bei dem auf ADP aufgebauten Batteriemolekül nicht auf, weil ja die positiven und negativen Ladungen (positive Ladungen sind Elektronenlöcher) intern stabilisiert und damit neutralisiert sind. Beispielsweise sind die positiven Löcher in der peroxi dischen Bindung quasi durch Dimerisierung zweier radikalischer O-Atome stabilisiert. Das bedeutet, daß ein solches geladenes Molekül, als Batterie verstanden, quasi erst angeschaltet werden muß, um seine Ladungen abzugeben und seine Löcher aufzufüllen, also um elektrische Energie zu übertragen. Es ist aus Untersuchungen des Nervensystems bekannt, daß Ace tylcholin offenbar die Eigenschaft hat, einen solchen Schaltvorgang zu bewirken, ebenso wie Calciumionen in Muskelgewebe. Im folgenden soll daher das Batteriemolekül als schaltbares, renormierbares Batteriemolekül SRBM** (switcheable rechargeable battery molecule) bezeichnet werden. Der geladene Zustand wird durch die beiden Sterne gekennzeichnet.

Im übrigen sei ein Vergleich mit einem makroskopischen technischen Analogon gestattet. Ein Pb-H₂SO₄-Akku ist ein gutes Beispiel, zum einen weil auf beiden Seiten ein Sulfat im entlade nen Zustand vorliegt, zum anderen weil auch in ihm als Primärprodukt bei der Ladung ein per oxidisches Bleisulfat auftritt, das erst in nachfolgenden Reaktionen mit dem in der Schwefel säure enthaltenen Wasser zu PbO₂ reagiert. In diesem System wird das chemische Einschalten durch die Wasserreaktion bewirkt. Der Akkumulator gibt jedoch erst in dem Moment elektri sche Energie ab, in dem der äußere Stromkreis über einen Schalter geschlossen wird. Eine solche Möglichkeit hat die Zelle nicht, es existiert auch kein elektronischer Stromkreis. Im übrigen beträgt die Energiedichte des SRBM** rund 180 Wh/kg, entsprechend rund 650 kJ/kg, und liegt damit höher als die einer modernen Lithiumbatterie von rund 120 Wh/kg; ein Bleiakku erreicht rund 30 Wh/kg.

Die Fig. 11a und 11b zeigen Flußdiagramme für die Exergie bei der Umsetzung chemi scher Energie im Verlauf der Prozeßfolge für die Atmung. Fig. 11a bezieht sich auf die Ver hältnisse, wie sie durch die chemiosmotische Hypothese charakterisiert werden. Auffallend ist der krasse Unterschied zwischen dem Eigenbedarf an Exergie während des Abbaues der Glucose und den Verlusten, wie sie in der Atmungskette als Konsequenz der Phosphorylierung auftreten sollen. Fig. 11b zeigt die exergetischen Verhältnisse, wie sie auftreten, wenn die in der Atmungskette freigesetzte freie Reaktionsenthalpie in elektrische Energie zur Aufladung der Batteriemoleküle umgesetzt wird. Es treten praktisch keine Verluste auf Die insgesamt zur Verfügung stehende Potentialdifferenz beträgt jedoch Δε_R = -1,2292 V. Da hier keine Maßnahmen getroffen sind, um die beiden Stufen der O₂-Reduktion zu trennen, tritt das Mischpotential auf. Die Aufladung der Batteriemoleküle ist nicht möglich, weil die Potential differenz nicht ausreicht; gefordert ist ein Δε_R = 1,8438 V.

Dieser Sachverhalt führt zu zwei weiteren Erkenntnissen: Die Natur hat offensichtlich ein Verfahren entwickelt, um die beiden Stufen der Reduktion des Sauerstoffes so voneinander zu trennen, daß nur die zweite Stufe, die auf H₂O₂ bzw. auf O als dem eigentlichen Akzeptor beruht, chemoelektrisch zum Tragen kommt. Sie löst diese Aufgabe dadurch, daß die freie Reaktionsenthalpie der ersten Stufe transferiert wird, und zwar zurück in die Reaktionsfolgen zum Abbau der Glucose. Die Fig. 12 zeigt das Exergieflußbild für diesen Fall. Die Frage ist, wie dieser Exergietransfer durchgeführt wird und was seine Konsequenzen sind.

Eine Reaktion, die den Exergietransfer ermöglicht, ist

anstelle von

Wird X₂ in eine Umgebung übertragen, in der 2H für die Rückreaktion zur Verfügung stehen, ergibt sich

Mit hoher Wahrscheinlichkeit ist X⁻ ein organisch gebundenes Jodid; HX ist ein Komplex wie beispielsweise Tri- oder Tetrajodthyronin (Thyroxin). Der hier erstmals dargestellte Exergie transfer auf der Basis von Jod könnte erklären, auf welche Weise dem Jod eine wesentliche Funktion im Organismus zukommt, denn Jodmangel führt zu schweren Störungen und schließ lich zum Tod. Es ist bekannt, daß Thyroxin im Organismus dort zu finden ist, wo auch H₂O₂ auftritt. Es ist auch bekannt, daß H₂O₂, über Flavinenzyme im Organismus gebildet, Jodid zu elementarem Jod oxidiert. Würde man die obige Reaktion RRT1 direkt mit HJ durchführen, entsteht ebenfalls J₂ als elementares Jod. Die Fig. 13 ist ein Diagramm für Jod-Sauerstoffver bindungen vom Typ HXO_n (n = 0, 1, 2, 3, 4). Aufgetragen ist die freie Reaktionsenthalpie ΔG_R: sie ist negativ, wenn die jeweilige Verbindung als (exergonischer Akzeptor) für 2(e⁻ + H⁺) dient. Das Ende der Reihe ist HJ; hier liegt auch der frei wählbare Nullpunkt der freien Reaktionsenthalpie. Ein Exergietransfer mit dem HX/X₂-System auf der Basis Jod spielt sich also am linken Ende ab. Dieses Diagramm zeigt auch, wie nicht anders zu erwarten, daß der Übergang von HJO₄ (H₅JO₆) peroxidisch ist. Man kann dies nutzen, um das durch (RRT1) gebildete H₂O, das ja den eigentlichen Akzeptor O enthält, nicht direkt, sondern über das HJO₄ zur chemoelektrischen Reaktion zu transportieren. Diese Reaktionsfolge wird in der vorlie genden Erfindung genutzt, um technisch sowohl die Aufgabe des Exergietransfers als auch des Akzeptortransportes zu lösen.

Fig. 14a zeigt ein Flußbild für die Moleküle, die in der Prozeßfolge der Atmung nach der neuen Hypothese auftreten. Im unteren Teil ist der Exergietransfer über ein Halogen oder Pseudohalogen HX zu erkennen; er führt von der Atmungskette zurück in den C3-Zyklus. Die zweite Frage, wofür die übertragene Exergie benötigt wird, kann ein bisher nur unvoll ständig behandeltes Problem lösen. In der als anaerob bezeichneten Stufe des Abbaus der Glucose (Gycolyse) vom Glycerinaldehyd zur Brenztraubensäure wird offenbar, wie insbeson dere LEHNINGER dies vermutet, eine Oxidoreduktion durchgeführt. Sie besteht, wie wir es verstehen, in der Abspaltung des O aus der Alkoholgruppe der Glycerinverbindung. Diese Reaktion ist exergetisch nur möglich, weil parallel zum O auch 2H freigesetzt werden und diese 3 Moleküle dann unmittelbar zu H₂O reagieren, wobei -355,8 kJ/FU freigesetzt werden. Wird jetzt der Exergietransfer vom C3-Zyklus innerhalb des Mitochondrions quasi verlängert, und zwar über die Grenzen des Mitochondrions bis zur Oxidoreduktion hin, so sind damit zwei wichtige Ergebnisse erreicht.

Das erste Ergebnis: Im Verlauf der Oxidoreaktion kann nunmehr ein weiteres SRBM auf geladen werden. Das bedeutet, daß die gesamte freie Reaktionsenthalpie der Oxidation von Glucose umgesetzt wird zur Bildung von 2 (3 + 1) SRBM**. Es ist 8 (-355,8 kJ/mol) = -2.846,4 kJ/FU. Der peroxidische Überträger entsteht, wie auch in der Fig. 14a zu erkennen, im C3-Zyklus, und zwar dort, wo die von der Apfelsäure (Malonsäure) abgetrennten 2H (im Unterschied zu allen anderen) vom FAD aufgenommen werden. FADH₂ reagiert mit moleku larem Sauerstoff und erzeugt so den Träger.

Das zweite Ergebnis ist, daß auch im Zustand fehlender O₂-Zufuhr (in dem die Funktion des Mitochondrions ausgeschaltet ist) die Zelle die für ihre Funktion wichtigen Energieträger, die SRBM**, weiterhin bilden kann (Fig. 14b). Wie bekannt entsteht Milchsäure; die dabei frei werdende freie Reaktionsenthalpie ermöglicht die Durchführung der Oxidoreaktion.

Allerdings ist der Aufwand groß: Es müssen jeweils 6 Milchsäuremoleküle durch interne Hy drierung von Brenztraubensäure gebildet werden, um ein SRBM** zu erzeugen. Interessant ist hierbei das Auftreten einer "Weiche" zwischen der aeroben und der anaeroben Funktion der Zelle. Bei aerobem Betrieb wird der Oxidoreduktion die dafür notwendige Exergie über das H₂O₂ zugefügt, sie wird frei durch Reaktion des H₂O₂ mit 2H. Entfällt die Zufuhr an H₂O₂ im anaeroben Betrieb, folgt automatisch die Hydrierung der Brenztraubensäure zu Milchsäure.

Als letztes sei die Frage angeschnitten, ob die SRBM** technisch hergestellt werden können, und welche Moleküle dafür in Frage kommen. Es gibt ein interessantes Beispiel aus der anor ganischen Chemie, das insbesondere einen Anhalt dafür geben kann, warum die Natur das Phosphorsystem verwendet. Fig. 15 zeigt ein Diagramm, das der Fig. 13 für Jod entspricht, sich aber auf die H_m(CO)_n - Reihe bezieht - also auf Glucose und die nachfolgenden C3-Verbindungen, und das den Abbau der Glucose beschreibt. Das Diagramm beschreibt jetzt (exergonische) Donoren für 2 (e⁻ + H⁺), nicht Akzeptoren wie im Falle des Jod. Man erkennt aus einer anderen Sicht, wie rationell die Natur arbeitet, denn ein ΔG_R-Gefälle von nur -33,1/2 kJ/FU treibt den Abbau aller Donoren 2(e⁻ + H⁺) in Glycolyse und C3-Zyklus an.

Fig. 16 zeigt die HXOn-Reihe auf der Basis von Phosphor. Sie hat einen interessanten Ver lauf. In dieser Reihe treten sowohl Donoren als auch Akzeptoren auf (für den Fall pH = 0). Soweit uns bekannt ist das Phosphorsystem das einzige, das eine solche Charakteristik hat. Phosphinsäure (H₃PO₂) und Phosphonsäure (H₃PO₃) sind Donoren, die Monoperoxophosphor säure Akzeptor. Phosphorsäure (H₃PO₄) ist für beide Arten des Überganges Endzustand. Es fällt nicht schwer, theoretisch ein Molekül der Formel H₃PO₄ zu konstruieren, dessen freie Bil dungsenthalpie im Punkt B liegt, und das die Eigenschaft hat, sowohl Donor für 2H als auch Akzeptor für 2H zu sein.

Die Donoreigenschaft ist durch das Hydrid der Phosphonsäure gegeben (durch Reaktion mit H₂O entstehen 2H und die OH⁻-Gruppe), die Akzeptoreigenschaft durch das O der peroxidi schen Bindung. Ein solches Molekül existiert und ist unter dem Namen Peroxophosphonsäure bekannt. Es bildet sich wahrscheinlich aus Peroxodiphosphonsäure, und es ist ein anorgani sches Analog 2π-Mg-ATP-O = SRBM**. Synthetische Batteriemoleküle lassen sich also im Prinzip erzeugen durch Kombination eines Donors für 2 (e⁻ + H⁺) und eines Akzeptors für 2(e⁻+ H⁺). Ersterer ist beispielsweise ein Hydrid, ein Metall, ein Metallkomplex, oder ein organischer Ringkomplex mit 2π-Elektronen. Als Beispiele für den Akzeptor treten vorteil haft Säuren auf, die peroxidische Bindungen eingehen können wir beispielsweise H₂SO₄, H₃PO₄, aber auch Halogen- und Pseudohalogensäure, und als weiteres Beispiel Fluoroborsäu re. Ein derartiger Donor und ein derartiger Akzeptor läßt sich auch in Form makroskopischer Anordnungen zusammenfügen.

Die Lehre zum technischen Handeln wird aus den im Vorhergehenden gewonnenen Erkennt nissen abgleitet.

1. Die Atmungskette in lebenden Systemen funktioniert als chemoelektrischer Wandler mit der vollen Potentialdifferenz der (2H + O)-Reaktion von theoretisch 1,8438 V. Die Nutzung dieser Reaktion für technische Zwecke entspricht dem Stand der Technik, wie er in der DE 195 19 123 beschrieben ist, sie wird beibehalten. Eine Modifizierung zeigt Fig. 17.
2. Die Atmungskette dient in der Natur offenbar ausschließlich zur Aufladung von schaltbaren, renormierbaren Batteriemolekülen (SRBM). Diese haben die Funktion von Kurzzeitspei chern und übertragen elektrische Energie über jeweils zwei Elektronen und zwei Elektronen löcher in hydrophober Umgebung; sie können innerhalb der Zelle bewegt werden, nachdem sie durch den ATP-Synthase-Komplex innerhalb der Membran gebildet wurden.

Der Nutzung derartiger Moleküle als transportable Speicher elektrischer Energie kommt ins besondere in technischen Mikrosystemen Bedeutung zu; sie können verwendet werden, um in derartigen Strukturen, in denen keine Leitungsbahnen vorhanden sind, gezielt zeitlich und örtlich elektrische Energie freizusetzen. Sie können aber auch dafür verwendet werden, in Mikrostrukturen durch gezielte Reaktionen mit H₂O-Molekülen Strahlung auf zwei oder mehr Wellenlängen (unbuntes Licht) freizusetzen.

3. SRBM bestehen im Prinzip aus zwei Teilen. Ein Teil enthält im geladenen Zustand eine peroxidische Bindung, mit anderen Worten ein abspaltbares O, als Akzeptor. Der andere Teil speichert im geladenen Zustand zwei Elektronen, sei es in einem organischen Ring system als π-Elektronen, sei es als Metall, als Metallkomplex oder als Hydridanion wie im Falle der Peroxophosphonsäure.

Für die technische Anwendung können entweder die 2π-Mg-ATP-O-Moleküle, wie sie nach dem vorliegenden Konzept in lebenden Systemen existieren, genutzt werden, oder Moleküle mit ähnlichen Eigenschaften wie oben aufgelistet treten an ihre Stelle. Dies gilt für Anwendungen in mikroskopischen technischen Systemen. Für Anwendungen in makrosko pischen technischen Systemen lassen sich Anordnungen aufbauen, die in ihren Eigenschaften den SRBM entsprechen, und die zweckmäßigerweise, mit den beiden Elektroden des che moelektrischen Wandlers verbunden, in seiner Umgebung fixiert sind.

Basis auf der Seite der peroxidischen Bindung sind vorzugsweise Säuren, die zu einer sol chen Bindung fähig sind, wie beispielsweise Schwefelsäure, Phosphorsäure, Halogensäuren, aber auch Fluoroborsäuren.

4. Auch in biologischen Systemen, insbesondere in der Atmungskette, geschieht die Reduktion des zugeführten molekularen Sauerstoffes in zwei Stufen. Für die Aufladung des SRBM wird nur die zweite Stufe genutzt; in ihr werden 75% der gesamten freien Enthalpie, die bei der Reaktion von Glucose mit molekularem Sauerstoff insgesamt frei werden, umgesetzt. In der Natur wird die freie Enthalpie der ersten Stufe dadurch ausgenutzt, daß sie durch Reak tion einer Jodwasserstoffverbindung mit dem molekularen Sauerstoff entnommen, auf den C3-Zyklus und weiter zur ersten Stufe des Glucoseabbaus übertragen wird. Sie dient dort der Erzeugung zweier weiterer SRBM, zusätzlich zu den sechs in der Atmungskette gebilde ten SRBM.

Die technische Nutzung beider Stufen der O₂-Reduktion ist Anliegen der vorliegenden Erfin dung. Die freie Reaktionsenthalpie der ersten Stufe wird ebenfalls transferiert, auf fast gleiche Weise, jedoch ausschließlich bei dem Abbau der Glucose genutzt; dadurch verringert sich der exergetische Wirkungsgrad der Umsetzung theoretisch auf 75%.

5. Der Abbau der Glucose in einem biologischen System geschieht wie bekannt in zwei Stufen.

In der anaeroben Stufe ist Brenztraubensäure das Endprodukt, der weitere Abbau geschieht im C3-Zyklus. Die Analyse zeigt, daß dieser Abbau nur durch internen Exergietransfer an zwei Stellen möglich ist, dort wo Essigsäure und Bernsteinsäure auftreten.

Mit heutigen technischen Mitteln kann weder der C3-Zyklus genau nachgeahmt noch der interne Exergietransfer durchgeführt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird da her extern Exergie zugeführt, um den möglichst vollständigen Abbau der Glucose in jeweils (4H + CO₂)-Paare zu erreichen. Diese Exergie wird von der ersten Stufe - der O₂-Reduktion übertragen. (Siehe 4.)

6. H₂O₂ ist theoretisch Produkt der ersten der O₂-Reduktion und als solches in lebenden Syste men nachgewiesen. Da H₂O₂ einerseits Zellgift, andererseits reaktionsträge ist, wird es durch Enzyme wie etwa Peroxidase oder Fe-haltige Komplexe zu H₂O und O abgebaut, das O als eigentlicher Akzeptor für die Atmungskette abtransportiert.

Dieses Prinzip wird für die technische Anwendung übernommen. Als Überträger des aus H₂O₂ (das nur Zwischenprodukt sein darf) abspaltbaren O kommen vorzugsweise Säuren in Frage, die der peroxidischen Bindung von O fähig sind. Als Beispiele seien genannt Halo gensäuren, aber auch Phosphorsäure und Schwefelsäure.

7. Die Parallelschaltung von sechs Strängen in der Atmungskette geschieht vermutlich aus Gründen der Redundanz, wird aber in manchen Organismen wie beispielsweise beim Zitter aal offenbar genutzt, um durch Hintereinanderschalten von SRBM** (schaltbares, renor mierbares Batteriemolekül - switcheable rechargeable battery molecule; ** bedeuten den aufgeladenen Zustand) höhere Spannungen zu erreichen.

Die Ausnutzung dieses Prinzips für technische Anwendungen ist von besonderer Bedeutung, da in der Technik verkettete Drehstromsysteme mit variabler Frequenz bei höheren Span nungen Anwendung finden. Gemaß der vorliegenden Erfindung kann dieses Ziel dadurch erreicht werden, daß in makroskopischen Systemen die Elektroden mit den an ihnen ange schlossenen und vorteilhafterweise in ihrer Nähe fixierten SRBM vielfach unterteilt werden, voneinander elektrisch isoliert. Durch abwechselndes Parallel- und Hintereinanderschalten der Elektroden, und durch Nutzung von Phasenverschiebungen können verkettete Drehströ me höherer Spannung mit variabler Frequenz ausgekoppelt werden.

Bezugszeichenliste

101 Pflanzliche Zelle
102 Tierische Zelle
103 Mitochondrion
104 Chloroplast
105 Licht
106 CO₂und H₂O
107 Glucose und O₂
108 Schnittstellen
201 RZD1
202 RZD2
203 2n-Elektrode
204 Elektrischer Anschluß
205 Graphit- oder Kohlepartikel
206 Protonen leitende Schicht, mit Kanälen
207 2p-Elektrode
208 RZA2
209 RZA1
301 Steuerelektrode
302 Wirbelschicht Donorseite
303 Protonen leitende Trennschicht mit Steuerelektrode
304 Wirbelschicht Akzeptorseite
401 Abschnitt I: Sammeln von Monosacchariden und Umwandlung in Glycerinaldehydphosphat; Eingabe von ATP zum Start
402 Abschnitt II: Umwandlung von Glycerinaldehyd-3-phosphat in Lactat unter Speicherung von Energie als ATP; als Nettobilanz aus Abschnitt I und II ergeben sich 2 ATP pro Molekül Glucose
501 Mobilisierung von Acetyl-CoA
502 Tricarbonsäure-Cyclus
503 Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung
701 Wirkungsspektrum der Photosynthese
901 1. Stufe
902 2. Stufe
903 O₂-Elektrode im Mittel
904 2H-Elektrode
905 Δε°_R (Mittel) (des chemoelektrischen Wandlers)
1001 Pufferwirkung
1101 Verluste
1301 HXO_n-Reihen für Iod
1401 Abbau Glucose bis C₃H₄O₃
1402 Grenze des Mitochondrions
1403 Abbau C₃H₄O₃ vollständig
1404 Elektronentransportkette
1405 Abbau Glucose bis C₃H₄O₃, Bildung von Milchsäure
1501 Donor-Reihe für Glucose als Anfangsglied H_m(XO)_n
1502 Bei 16 Stufen ist ΔG°_R in etwa - 1KJ/mol Stufe → K = e = ⁻^Δ ^GR/RT = e^+0,4 ≅ 1,5
1503 Bis hier -8,15 KJ/FU eingesetzt für Konzentration
1601 HXO_n-Reihen für Phosphor
1701 (RZD′′)
1702 (RZD2)²⁺
1703 Steuerbare Raumladungszone um Protonen/Ionen leitende Schicht
1704 (RZA2)²⁺
1705 Abschirmung gegen O₂
W = Weißpunkt = E = Ort des Farbreizes des energiegleichen Spektrums
A Farbort der Normalbeleuchtungen
B Farbort der Normalbeleuchtungen
C Farbort der Normalbeleuchtungen

Claims

1. Verfahren zur Umsetzung der in wasserstoffhaltigen Stoffen, insbesondere Glucose und ande ren chemischen 2H-Speichern, zusammen mit dem Sauerstoff O₂ der Luft gespeicherten frei en Reaktionsenthalpie in Energie eines elektrodynamischen Feldes in einem chemoelektrischen Wandler auf der Basis der Reaktion (2H + O → H₂O),
wobei bei der zweistufigen Reduktion des O₂ die freie Reaktionsenthalpie beider Stufen genutzt wird,
wobei die freie Reaktionsenthalpie der ersten Stufe, die zu H₂O₂ und weiter zum dem eigentli chen Akzeptor O führt, durch Reaktion des O₂ mit wasserstoffhaltigen Verbindungen, vor zugsweise von Halogenen und/oder Pseudohalogenen freigesetzt und über das oder die Reak tionsprodukte in die Reaktionsfolge zum Abbau der Glucose in jeweils (4H + CO₂)-Paare transferiert wird,
wobei die Reaktionsenthalpie der zweiten Stufe, die auf H₂O₂ beruht, für die eigentliche che moelektrische Reaktion genutzt wird,
und wobei der eigentliche Akzeptor O dem H₂O₂ vorzugsweise über einen Träger auf der Ba sis von Säuren, die zur Peroxidbindung fähig sind, entnommen und an die positive Elektrode des chemoelektrischen Wandlers transportiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemoelektrische Wand lung in der elektrischen Aufladung eines Moleküls und/oder einer synthetisch erzeugten Struk tur mit der Funktion einer bei Bedarf aktivierbaren Batterie besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch aufgeladenen Moleküle in Mikrostrukturen angewendet werden, dort frei beweglich sind und am Anwen dungsort durch Aktivierung zur Abgabe der elektrischen Energie zwecks Aufladung der Struktur an dieser Stelle veranlaßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch aufgelade ne, synthetisch erzeugte Struktur mit der Funktion einer aktivierbaren Batterie in Makrostruk turen stets mit den Elektroden des chemoelektrischen Wandlers in elektrisch leitender Verbin dung stehend und vorzugsweise in der Nähe der Elektroden fixiert, als Speicher für elektrische Energie für Fälle kurzzeitiger hoher Belastung dient.

5. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Moleküle und synthetisch erzeugten Strukturen mit der Funktion einer aktivier baren Batterie zumindest aus zwei Teilen bestehen, von denen der eine Teil zu einer elektro chemischen Reduktionsreaktion fähig ist, und ein anderer Teil zu einer elektrochemischen Oxi dationsreaktion fähig ist und die Renormierung beider Teile nach Entladung möglich ist.

6. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Batteriemoleküle insbesondere bei der Anwendung in Mikrostrukturen durch gezielte Reaktion mit H₂O-Molekülen diese spalten, und das durch Rekombination der dabei freigesetzten O-Radikale erzeugte Licht unterschiedlicher Wellenlänge genutzt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß in Makrostrukturen die Elektroden des chemoelektrischen Wandlers vorteilhaft in parallele Segmente, die untereinander elektrisch isoliert sind, unterteilt sind, wobei die zuge hörigen Batteriemoleküle in leitender Verbindung stehen, und daß durch periodische Parallel- und Hintereinanderschaltung der Segmente Ströme höherer Spannung mit variabler Frequenz, und bei Berücksichtigung von Phasenverschiebungen, aus mehrkettigen Drehstromsystemen entnehmbar sind.