WO1997017828A2 - Verfahren zur umsetzung der in wasserstoffhaltigen stoffen und sauerstoff gespeicherten freien reaktionsenthalpie in energie eines elektrodynamischen feldes - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Umsetzung der in wasserstoffhaltigen Stoffen, insbesondere Glucose und anderen chemischen 2 H - Speichern, zusammen mit dem Sauerstoff O2 der Luft gespeicherten freien Reaktionsenthalpie in Energie eines elektrodynamischen Feldes in einem chemoelektrischen Wandler auf der Basis der Reaktion (2 H + O → H2O), wobei bei der zweistufigen Reduktion des O2 die freie Reaktionsenthalpie beider Stufen genutzt wird. Die freie Reaktionsenthalpie der ersten Stufe, die zu H2O2 und weiter zu dem eigentlichen Akzeptor O führt, wird, durch Reaktion des O2 mit wasserstoffhaltigen Verbindungen, vorzugsweise von Halogenen und/oder Pseudohalogenen freigesetzt und über das oder die Reaktionsprodukte in die Reaktionsfolge zum Abbau der Glucose in jeweils (4 H + CO2) - Paare transferiert. Die Reaktionsenthalpie der zweiten Stufe, die auf H2O2 beruht, wird für die chemoelektrische Reaktion genutzt, wobei der eigentliche Akzeptor O dem H2O2 vorzugsweise über einen Träger auf der Basis von Säuren, die zur Peroxidbindung fähig sind, entnommen und an die positive Elektrode des chemoelektrischen Wandlers transportiert wird. Die chemoelektrische Wandlung dient der elektrischen Aufladung eines Moleküls und/oder einer synthetisch erzeugten Struktur mit der Funktion einer bei Bedarf aktivierbaren Batterie.

Description

Verfahren zur Umsetzung der in wasserstofThaltigen Stoffen und Sauerstoff gespeicherten freien Reaktionsenthalpie in Energie eines elektrodynamischen Feldes

In der Patentschrift D 195 19 123 wird ein Verfahren beschrieben zur Erzeugung elektri¬ scher Energie aus nachwachsender Biomasse durch elektrochemische Reaktionen in einem chemoelektrischen Wandler zur Erzeugung frequenzvariabler Drehstrome im technischen Spannungsbereich

Das Verfahren orientiert sich an biochemischen Prinzipen 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 Wandler 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 techni¬ schen Systemen

Die Losung dieser Aufgabe besteht in Ergänzung und Abänderung von Reaktionsfolgen, um geringere Verluste an Exergie zu erhalten, die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu erhohen, eine höhere kurzzeitige Energieabgabe zu ermöglichen, sowie in einer Verringerung von Material und Hilfsbetrieben Die Losung dieser Aufgabe beruht auf einer erweiterten Nach¬ ahmung des naturlichen 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 wissenschaft¬ lichen Erkenntnisse lassen sich aus bisheriger Sicht wie folgt beschreiben und in Form von zwei grundlegenden Gleichungen darstellen

IRSÄΓZBLAΠ (REGEL 26) Fast 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 Energiesenke 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 chemi¬ scher Energie gewonnen. Um diese beiden Aufgaben durchzufuhren, hat die Evolution zwei Subsysteme entwickelt . Chloroplasten und Mitochondπen (Fig 1 )

Chloroplasten sind in der Lage, Sonnenstrahlung chemisch zu speichern, wobei als Edukte CO_τ und H-,0 verwendet werden Produkte sind Glucose und Sauerstoff

(P) Licht + 6 H₂O + 6 CO₂ — > C₆H,₂O_(l - 6 O₂

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

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

(R) C₆H₁₂0₆ + 6 O₂ ^~ > 6 H₂O + 6 CO, + Nutzarbeit

(Im folgenden wird der Begriff freie Reaktionsenthalpie verwendet werden, die freie Enthalpie 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 chemische Energie wird wiederum durch Änderung der Konfiguration der (materiellen) Träger freigesetzt, und zwar in Form der (nichtmaterielle) Energie eines elektrodynami¬ schen 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 Leucht¬ organismen ausgesandt 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 Mitochondrien sind in fast jeder Zelle der Lebewesen mehrfach vorhanden, Chloroplasten und Mitochondrien in Pflanzen, ausschließlich Mitochondrien in Tieren Die Logistik der Energie von lebenden Systemen ist also streng dezentral organisiert, mehrfach redundant abgesichert 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 H.,0 und CO_τ in der an¬ deren Richtung Alle anderen Stoffe, die ein Lebewesen für seine Existenz benotigt, wer¬ den in nachgeordneten Reaktionen aufgenommen und übertragen, wobei die dafür not¬ wendige 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 Ausführungsform. Der Stand der Technik läßt sich anhand dieser Darstellung und der vorangegangenen Erläuterungen leicht beschreiben. Von der Logistik der Energie in leben¬ den Systemen wird ausschließlich die Atmung, also die Reaktionsfolge, die sich in Zellen mit Einschluß der Mitochondrien vollziehen, berücksichtigt. Für das Verfahren übernom¬ men wird die Verwendung von Glucose und Sauerstoff als den generellen Tragern chemi¬ scher 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 Cellulose 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 Ver¬ wendung von O-, als Akzeptor für Elektronen und Protonen Reaktionszentren wirken so¬ wohl 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 ais nicht unterteilt angesehen und unmittelbar zur Auskopplung elektri¬ scher 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 Erkenntnis, daß molekularer Sauerstoff in zwei Stufen als Akzeptor für jeweils 2 Elektronen und 2 Protonen dienen kann, wird da¬ durch genutzt, daß H.,0, 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 Nutzung der zweiten Stufe erreicht

In technischer Hinsicht werden, um die notwendige Oberflache 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 Ionenkanalen entsprechend, für die Kontrolle des Protonenstromes ausgenutzt werden kann, um periodische Änderungen des Elektronenstromes zu erzwingen und um die Transformati¬ on zu höheren Spannungen zu ermöglichen Neu ist auch die Verkettung mehrerer derarti¬ ger chemoelektrischer Wandler zu mehrphasigen Drehstromsystemen

Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es notwendig, den Weg aufzuzeigen, OQΓ zu ihr geführt hat Aufgabe der Erfindung ist es, chemische Energie in Feldenergie tech¬ nisch vorteilhaft umzusetzen, und zwar so, wie sie in der Natur in allen lebenden Organis¬ men ähnlich durchgeführt wird. Eine solche Aufgabe laßt sich nur losen, wenn die Prinzipen der Umsetzung nicht nur in ihren Grundzugen sondern auch in ihren Einzelschritten

ERSATZBLAπ (REGEL 26) weitgehend verstanden sind Das ist aber nicht der Fall Die heutige Lehrmeinung ist nicht in der Lage, die bisher aufgeklarten Einzelschritte so zu einer konsistenten Gesamtsicht zu¬ sammenfügen, um noch offene Fragen daraus beantworten zu können Sie vermag wesent¬ liche Fakten, die bei dieser Umsetzung auftreten, nicht zu erklaren Es seien zwei markante Beispiele genannt Das eine ist die Wasserspaltung im Photosystem II - also einer der Pfei¬ ler der Photosynthese - die trotz aller Bemühungen bisher nicht aufgeklart werden konnte Das andere Beispiel ist die Erzeugung von unbuntem Licht in biologischen Systemen über ATP (Adenosintriphosphat), das als universeller Energieträger in allen lebenden Organismen angesehen wird Die freie Reaktionsenthalpie 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 sicht¬ baren 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 Jah¬ ren entwickelte, quasi nacherfunden wurden Die heute bekannten Reaktionsfolgen wurden mit den theoretischen Werkzeugen, wie sie der Physik zur Verfugung stehen, durchgerech¬ net Wenn notwendig wurden die entsprechenden Hypothesen korrigiert Werkzeuge der Physik sind die beiden Hauptsatze der Thermodynamik, angewendet auf offene Systeme, damit verbunden die Verwendung thermodynamischer Funktionen wie freie Enthalpιe(diffe- renz) ΔG, elektrochemisches Potential Δε_R, Gesamtenthalpie(differenz) ΔH, Entropie(diffe- renz) ΔS Daraus abgeleitet werden Gleichgewichtskonstanten Auf der Seite der Elektro¬ dynamik stehen die MAXWELL'schen Gleichungen zur Verfugung Thermodynamische Daten und elektrochemische Potentiale wurden ausschließlich aus zwei bekannten und als zuverlässig geltenden Kompendien entnommen [Handbook of Chemistry and Physics, 58 lh Edition, D-67 bis D-79 und D-141 bis D-146 ; Stull; Westrum; Sinke : The Chemical Ther- modynamics of Organic Compounds] Im Verlauf dieser Arbeiten wurden einige Erkennt¬ nisse 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 wurden berechnet und sind in der rechten Spalte aufgelistet Es lassen sich auf diese Weise Bilanzen 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-OτSystems, 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 -3 1 ,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

(RE) C₆H₁₂O₆ + 6 0₂ — > 6 H₂O + 6 CO₂

(-910,7 + 0) (-6*237,2 - 6*394,5) ΔG_R = -2 879,5 kJ/FU

(-1.274,8 + 0) (-6*285,8 - 6*393,6) ΔH_R = -2 801 ,6 kJ/FU

(RG) C₆H₁₂O₆ + 6 H₂0 — > 24 H + 6 CO₂

( -910,7 - 6*237,2) (0 - 6*394,5) ΔG_R = - 33, 1 kJ/FU

(- 1 274,8 - 6*285,8) (0 - 6*393,5) ΔH_R - + 628,0 kJ/FU

(KR) 24 H + 6 O₂ — > 12 H₂O

(0 + 0) (-12*237,2) ΔG_R = -2.846,4 kJ/FU

(0 + 0) (-12*285,8) AH_R = -3 429,6 kJ/FU

Da der Abbau sehr bald über C3-Moleküle läuft und dabei auf zwei parallelen Wegen je¬ weils 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

ERSATZBLATT (REΗ 26) unwesentlich hoher als die der Edukte liegen Das muß eigentlich auch so sein, weil der umgekehrte Weg, Aufbau von Glucose aus C0₂ und 2 H, in fast gleicher Weise erfolgt In krassem Gegensatz dazu steht aber, daß, wenn ATP nach heutiger Lehrmeinung der eigent¬ liche interne Energieträger in Zelle und Mitochondrion ist, ein vergleichsweise sehr hoher Verlust an Exergie auftritt, er liegt bei fast 60°/ o der zur Verfügung stehenden Exergie

Bei der Analyse wurde sorgfaltig 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 Atmungskette ist irreversibel, die nicht genutzte Exergie muß in Warme übergehen Eine solche Tatsache steht im Widerspruch zu der hohen Effektivität beim Glucoseabbau (und durfte die Möglichkeiten einer Zelle, Verlustwarme in dieser Hohe loszuwerden, übersteigen)

Die Reaktion (RR) beschreibt die Vorgange in der Atmungskette, präziser in der Elektro- nentransportkette 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 Protonen) die Kette durchlaufen, und O-, als ihr Akzeptor auftritt Es wird des weiteren angenommen, daß wenigstens 3 Teilreaktionen hintereinandergeschaltet sind, in denen je¬ weils ADP + H^PO₄ zu ATP + H,O mit den oben erwähnten Verlusten phosphoryliert wer¬ den Wie das im einzelnen geschieht, hat MITCHELL mit seiner chemiosmotischen Hypo¬ these zu erklaren versucht, er geht dabei von einem Protonengradienten aus, der von der Elektronentransportkette aufgebaut werden soll

Aus Erfahrung insbesondere mit der Elektrochemie von H₀ / O₂-Brennstoffzellen (chemo¬ elektrischen Wandlern) ist bekannt, daß O-, zwar 4 (e + H ) akzeptieren kann, daß aber bereits das erste Elektron-Proton-Paar den Akzeptor O-, chemisch verändert

(RR1 ) O₂ + 2 (e HO -> H_^O, Δε _R = -0,684 V

Δε_R = -0,6146 V

ERSATZBLAπ (REGEL 26) Der neue Akzeptor für das nächste Elektronenpaar ist FLO,

(RR2) H-,0-, + 2 (e^" + H ) — > 2 H.O Δε _R - -1 ,776 V

Δε_R = -1 ,8438 V

Der obere Wert Δε _R gilt jeweils für pH ^ 0 in wäßriger Losung unter Standardbedingun¬ gen. Der untere Wert Δε_R gilt für konzentrierte, wasserarme Losungen

Man kann auch O als den eigentlichen Akzeptor dieser zweiten Stufe ansehen, der durch H-,O₇ vom Wasser transportiert wird gemäß

(RR3) H₂O₂ — > H₂0 + 0 ΔG_R = 0

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 zweiten Stufe rund 75% der insgesamt zur Verfügung stehenden chemischen Exergie umge¬ setzt Die Konsequenz aus obiger Überlegung ist, daß das Potential der Elektronentrans- portkette zwischen diesen beiden Werten oszillieren mußte, je nachdem, welche Form der

Akzeptor zu diesem Zeitpunkt aufweist Im zeitlichen Mittel jedoch ergäbe sich Δε _R (Mit¬ telwert) = (-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 ein¬ fach, hat aber weitgehende Konsequenzen. Dies gilt nicht nur für das Verständnis der Logi¬ stik der Energie in lebenden Organismen, sondern auch für die Übertragung in die Technik.

1 Die Elektronentransportkette als chemoelektrischer Wandler funktioniert nur mit einer einzigen Stufe, und zwar mit der zweiten Stufe mit FI₂O₂ ^^7W ® ^a'^s Akzeptor Die Um¬ gebung im Mitochondrion ist nichtwäßrig. Ihre Potentialdifferenz ist dann

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FRSATZBLAπ (REGEL 26) 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 werden (WARBURG hat darauf hingewiesen, daß H.,O, das pri¬ märe Produkt des von ihm entdecken Atmungsfermentes, eines Flavinenzymes im letzten Teil der Elektronentransportkette, mit O₀ ist ) Die Elektronentransportkette besteht auch nicht aus drei hintereinandergeschalteten Abschnitten, sondern nur aus einem Es arbeiten also sechs parallele Strange der Elektronentransportkette parallel

2 Arbeitet die Elektronentransportkette als chemoelektrischer Wandler, tritt in ihr im Be¬ trieb notwendigerweise ein Protonengradient quer zur Membran auf Er ist aber Folge, nicht Ursache der Erzeugung von internen Energieträgern Ungeachtet der Existenz des Protonengradienten scheidet ATP als nicht-elektrisches Produkt der Elektronentransport¬ kette aus, der Wirkungsgrad der Phosphorylierung wäre wegen der zur Verfügung ste¬ henden viel höheren elektrischen Energie noch geringei Die chemiosmotische Hypothese wird gegenstandslos Da aber die Natur elektrische Energie nicht über ein Leitungsnetz ableiten kann, bleibt nur der Schluß, daß die elektrische Energie der Elektronentransport¬ kette zur Aufladung eines Moleküls eingesetzt wird, das die Funktion einer Batterie hat

3 Die elektrische Energie, die zur Aufladung eines solchen Batteπemolekuls zur Verfugung steht, entspricht der freien Reaktionsenthalpie der zweiten Stufe (RR2) und betragt ΔG_R = -355,8 kJ/mol Welchen Einfluß der pH-Wert und ein wäßriges oder nichtwaßri- ges Medium haben, wird weiter unten erläutert

Die hier vorgestellte Hypothese eines Batteriemolekuls ist nur dann sinnvoll, wenn sie einer¬ seits die Wasserspaltung in der Photosynthese, andererseits die Erzeugung sichtbaren Lich¬ tes erklaren kann Die Hypothese leistet beides, was sich im Rahmen der Photosynthese zeigen laßt

4 Die Wasserspaltung geschieht in Umkehrung von (RR2) Das Batteπemolekul wird in der Photosynthese durch im einfachsten Fall 2 Lichtquanten aufgeladen, deren Energie je¬ weils -355,8 / 2 = -177,9 kJ/Einstein betragt Die Wellenlange entspricht 672,4 nm und

ERSATZBLAπ (REGEL 26) liegt somit im Maximum der Absorption vom Komplex P 680 Es übertragt seine elektri¬ sche Energie auf 2 H,O-Moleküle, um die Spaltung zu ermöglichen Die dabei gemäß Gleichung (RR3) freiwerdenden beiden O rekombinieren sich zu O,, die dabei entstehen¬ de Reaktionsenthalpie von ΔG_R = -237,2 kJ/mol O, wird durch Lichtquanten abgestrahlt

Es ist zweckmäßig, sich dem Konzept eines Moleküls, das die Funktion einer wiederauflad- baren Batterie hat, das sich also renormieren laßt, von einer anderen Warte aus zu nahern Betrachtet man die Umsetzungen, wie sie durch die Summengleichung (P) der Photosynthe¬ se und durch die Summengleichung (R) der Atmung beschrieben werden, so fallen Symme¬ trie und Umkehrbarkeit auf Es fallt aber auch auf, daß eine Wechselwirkung zwischen Feld und Materie beschrieben wird (wie sie in den Chloroplasten einerseits und in der Atmungs¬ kette andererseits ablauft), 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 offen¬ sichtlich nicht fähig sind Der entscheidende neue Gedanke tragt 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 Batte¬ rie auf der einen Seite 2 Elektronen aufnehmen und auf der anderen Seite 2 (positive) Elek¬ tronenlöcher bilden können Das Molekül muß zum einen mit einem elektrischen Feld wechselwirken, zum anderen die von ihm aufgenommene Feldenergie in Form freier Reaktionsenthalpie chemisch speichern können, was nur durch die Änderung seiner Konfi¬ guration möglich ist ATP kann das nicht. Die eine Hälfte des Moleküls wird beim Aufla¬ den reduziert, die andere Hälfte oxidiert . Es finden zwei Redoxreaktionen in einem Mole¬ kül statt (Darauf, daß ein solches Molekül auch außerhalb der Biochemie existiert und wie es zustande kommt, wird weiter unten eingegangen werden)

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FRSATZBLAπ (REGEL 26) 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 ge¬ funden, und 2 wie fügt sich das Molekül, das eine wiederaufladbare Batterie darstellt, im Detail in die Reaktionsfolgen der Photosynthese ein ⁿ

Das Molekül kann keine andere Grundlage haben als die bisher bekannten Moleküle, die in Chloroplasten und Mitochondrien eine wesentliche Funktion als Übertrager haben Wenn man in Betracht zieht, daß es (hydrophobe) Bereiche gibt, die keine wäßrige Losung dar¬ stellen, so kann man ADP und H₃PO₄ auch noch auf eine andere Weise koppeln als es bei der Phosphorylierung beschrieben wird Diese andere Kopplung ist nur in einer elektroche¬ mischen Reaktion möglich, und sie besteht in der Bildung eines Peroxides Bei dieser Reak¬ tion werden jeweils zwei Elektronen und zwei Protonen unter Einspeisung von freier Reak¬ tionsenthalpie den beiden Partnern entnommen Auf der anderen Seite sind die beiden Rin¬ ge des Adenins zusammen 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 anwesend sein, beispielsweise Mg^~ , wie es ja von Mg-ADP transportiert wird Sein bisheriger Platz wird durch die beiden Protonen eingenommen, die bei der per¬ oxidischen Kopplung frei werden Das renormierbare oder wiederaufladbare Batteriemole- ku! hat also theoretisch die in Fig 6 gezeigte Form

Das Batteriemoleku] wird am besten beschrieben durch die Formel 2π-Mg-ATP-0 Das an¬ gehängte O charakterisiert die peroxidische Bindung und macht gleichzeitig deutlich, daß mit diesem Molekül praktisch ein radikalisches O - wenn es freigesetzt wird - als Elektronenakzeptor transportiert wurde Das Molekül tragt seine beiden positiven und negativen Ladungen (positive Ladungen sind Elektronenlocher) nach außen neutral, und ist insbesondere intern gegen Ruckreaktionen (internen Kurzschluß) gesichert Die bisherigen Erkenntnisse zur Aufklarung der ATP-Synthase werden dadurch nicht betroffen und fügen sich in das Konzept nahtlos ein bis auf die Art der Energieeinspeisung Der F₀/F, -Komplex entspricht nunmehr einer Steckdose, an der die Potentialdifferenz der chemoelektrischen Reaktion genutzt wird

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ERSATZBLAπ (REGEL 26) 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 Was¬ ser zu Wasserstoff und Wasserstoffperoxid in Umkehrung der Reaktion (RR2) und er¬ scheint dabei als Mg-ADP und Phosphorsäure

Interessanterweise kann ein Grundsatzexperiment, das LEHNINGER vor vielen Jahren durchführte, und womit er die Rolle des ATP als eines universellen Energieträgers der Zelle zu bestätigen schien, unter dem obigen Aspekt auch anders gedeutet werden. Mitochon¬ drien, die aerob mit NADH-, inkubiert wurden, und die vorher mit Wasser tonisch behandelt wurden, zeigten eine fast sofortige Phosphorylierung von ADP und H_?P0₄ 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 Photosynthe¬ se, wie es bereits skizziert wurde Da die Primarreaktion der Photosynthese in der Aufla¬ dung des Batteriemoleküls liegt, und da die Quantenenergic von 1 ,8438 eV der Potentialdif- ferenz zur Ladung des Batteriemoleküls entspricht, ist nur ein Photosystem erforderlich

Um molekularen Sauerstoff O-, zu erzeugen, muß das 2π-Mg-ATP-O mit 4 H-,0 reagieren, so daß insgesamt 4 H und 2 H₂O-, entstehen Die 4 H gehen in die Dunkelreaktion Die 2 H₂O_? katalytisch etwa durch Peroxidase oder ein ahnliches 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, fuhrt auf eine Wellenlän¬ ge 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 Wellenlangen von 633 nm und 704 nm Singulett-Sauerstoff wird als Produkt der Photosynthese gefunden

4 Die Exergie der O-O-Rekombination, wenn über 2 Quanten abgestrahlt, fuhrt auf eine Wellenlange von 672 nm

Die Farbtafel (Fig 8) zeigt, daß Licht zweier Spektralfarben unbuntes, d h weißliches Licht ergibt Licht der beiden Wellenlangen 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 laßt sich eine weitere Schlußfolgerung ziehen Das Photosystem I und Carotin haben offenbar die Funktion, die Ruckstrahlung 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 Funk¬ tionen hat Die eine ist, zusammen mit H₃PO₄ der Transport von H-,0 in einer hydropho¬ ben Umgebung mit der gleichzeitigen Übertragung einer geringen Energiemenge Die zwei¬ te Funktion des ADP ist, wiederum zusammen mit H₃P0₄ und in einer hydrophoben Um¬ gebung, die Bildung des 2π-Mg-ATP-O als eines chemoelektrischen Kurzzeitspeichers für das Lichtquantenaquivalent bei 672,4 nm, es werden 355,8 kJ/mol transportiert und eine elektrische Potentialdifferenz von 1 ,4838 V in einer geeigneten Struktur zur Verfügung ge¬ stellt Einsatzgebiete sind insbesondere die Energieversorgung von Muskeln, Nerven¬ system, 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

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ERSATZBLAπ (REGEL 26) in Form von Potentialmessungen bei Redoxreaktionen, in wäßrigen Losungen durchführt Als Bezug wurde eine wäßrige Losung mit einem pH von 7 gewählt, womit sie sich von den in der Chemie üblichen Zuständen und Angaben über chemoelektrische Potentiale unter¬ scheidet, dort sind die Angaben auf pH = 0 (besser : a_H+ - 1 ) und pH = 14 (a_OH_ = 1 ) bezo¬ gen. Das eigentliche 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 Formu¬ lierung chemoelektrischer Reaktionen für die drei Zustande pH =- 0, pH = 7 und pH =■ 14 Beispielsweise gilt bei der bekannten Freisetzung von Elektronen aus molekularem Was¬ serstoff .

pH = 0 H, 2 e^" + 2 H Δε ' = 0

pH = 7 H. + OH^" — > 2 e^" + H + H,O Δε _R = -0,414 V

pH = 14 H₂ + 2 OH^" — > 2 e^" + 2 H,O Δε°_R = -0,828 V

Scheinbar spielt H-,0 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 Re¬ duktion des O₂-Moleküls an der positiven Elektrode des gleichen chemoelektrischen Wand¬ lers und trägt dann die so erhaltenen Potentialdifferenzen graphisch auf, erhäit man das Dia¬ gramm von Fig 9 Aus diesem Diagramm lassen sich einige wesentliche Sachverhalte ver¬ deutlichen, wie sie wie sie in technischen Systemen (Brennstoffzellen) auftreten, und wie sie zum Verständnis biologischer Systeme wichtig sind.

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FRSATZBLATT (REGEL 26) Da in allen drei Bereichen die Summengleichung der Reaktion (RR) 4 H + 0, — > H.,0 unabhängig vom pH-Wert gilt, muß auch theoretisch die Summe aller einzelnen Potential¬ differenzen unabhängig vom pH-Wert sein Rein rechnerisch ergibt sich aus der freien Reaktionsenthalpie von -474,4 kJ/FU der bekannte Wert von Δε_R = - 1 ,2292 V (Fig 9, Kurve a) Die einzelnen Potentialdifferenzen sind jedoch abhangig vom pH-Wert, und zwar im Bereich der wäßrigen Losungen 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 Potentialdifferenzen konstant ist, zeigen der Verlauf der Potentiale an der negativen und an der positiven Elektrode wie bekannt entgegengesetztes Verhalten (Fig 9, Kurven b und c) Die Kurve c für die Sauerstoffclektrode 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 makroskopi¬ schen 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 Zustande 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 großer 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 Potentiale beim Verlassen wäßriger Losungen, er ist hier an der Stelle pH = 0 eingezeichnet

Er ist darauf zurückzuführen, daß die freie Bildungsenthalpie von H₂O₂ als dem ersten Reaktionsprodukt in wasserfreier Umgebung statt -131 ,6 nunmehr - l I 8,6 kJ/mol betragt Dieser Unterschied aber ist wesentlich, denn er gestattet die Aufladung der Batteriemoleku- le in der zweiten Stufe eines supersauren chemoelektrischen Wandlers mit ausgeglichener Bilanz für die Exergie durchzuführen

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FRSATZBLAπ (REGEL 26) Wenn aber in lebenden Systemen Bereiche existieren, die weitgehend hydrophob sind, und in denen keine wäßrigen Losungen vorhanden sind, müssen die dort ablaufenden Reaktionen anders ablaufen als im Reagenzglas, denn Wasser scheidet als Reaktionspartner aus Zu¬ mindest also müssen auch die dort auftretenden elektrochemischen Potentiale andere Werte haben, das zeigt Fig 9 Wenn man also den Bereich der wäßrigen Losungen verlaßt und in den pH-Bereich negativer Werte eintritt - das bedeutet in supersaure Medien - dann andern sich auch die exergetischen und sonstigen Verhaltnisse entscheidend Fig 10 zeigt die übli¬ chen pH-Konzentrationsdiagramme (Pufferungskurven), die hier in den negativen Bereich (und damit in den supersauren Bereich) hineinreichen Man sieht, daß insbesondere Phos¬ phorsaure supersauer sein kann, was zur Folge hat, daß sie sich selbst protoniert und damit zu einem ausgezeichneten Protonenleiter wird Es gibt jedoch einen viel naher liegenden Grund, sich über wäßrige und nichtwaßrige Systeme Gedanken zu machen, und der liegt bei der Interpretation der freien Reaktionsenthalpien der ΛTP-Bildung, des Wasserstofftrans¬ portes durch NAD und der Elektronenubertragung von Cytochromen Wurde man die Phosphorylierung von ADP zu ATP beispielsweise bei pH = 1 durchfuhren, so wäre die freie Reaktionsenthalpie fast 0 In einem solchen Fall kann man schwerlich ATP als Ener¬ gieübertrager in der Zelle ansehen Ein weiteres Beispiel Die freie Reaktionsenthalpie der Wasserstoffaufπahme durch NADH betragt bei pH - 7 rund -0,32 eV, entsprechend rund -61 ,7 kJ Anschaulich gesehen wird also bei der Wasserstoffaufhahme unter diesen Bedin¬ gungen ein betrachtlicher Anteil an Exergie frei, der wieder aufgewendet werden muß, wenn der Wasserstoff vom Übertrager abgegeben werden soll Er liegt dann doppelt so hoch wie der für die Phosphorylierung aufzubringende Anteil Es ist kaum vorstellbar, daß diese Ver¬ haltnisse in lebenden Systemen, die, wie wir gezeigt haben, äußerst rationell hinsichtlich des Exergieaufwandes arbeiten, anzutreffen sind

Das Konzept des wiederaufladbaren Batteriemolekuls 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 Ubertragermolekule sozusagen auf Kommando durchführt ^? Geht man von ATP als dem eigentlichen Energieubertrager laut Lehrmeinung aus, bei dessen Erzeugung H₂O freigesetzt wird, so steht man vor dem Pro¬ blem zu verstehen, wie in diesem Falle die sofortige Ruckreaktion - also die Hydrolyse - verhindert wird (aus der Technik ist das Problem der spontanen Ruckreaktion 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 samtliche ATP- Molekule gleichzeitig die Hydrolyse durchfuhren ⁿ

Das Problem der Ruckreaktion tritt bei dem auf ADP aufgebauten Batteriemolekul nicht auf, weil ja die positiven und negativen Ladungen (positive Ladungen sind Elektronen¬ locher) intern stabilisiert und damit neutralisiert sind Beispielsweise sind die positiven Locher in der peroxidischen Bindung quasi durch Dimerisierung zweier radikalischer O-Atome stabilisiert Das bedeutet, daß ein solches geladenes Molekül, als Batterie ver¬ standen, quasi erst angeschaltet werden muß, um seine Ladungen abzugeben und seine Locher aufzufüllen, also um elektrische Energie zu übertragen Es ist aus Untersuchungen des Nervensystems bekannt, daß Acetylcholin offenbar die Eigenschaft hat, einen solchen Schaltvorgang zu bewirken, ebenso wie Calciumionen in Muskelgewebe Im folgenden soll daher das Batteriemolekul als schaltbares, renormierbares Batteriemolekul SRBM** (swit- cheable rechargeable battery molecule) bezeichnet werden Der geladene Zustand wird durch die beiden Steine 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 entladenen Zustand vorliegt, zum anderen weil auch in ihm als Primarprodukt bei der Ladung ein peroxidisches Bleisulfat auftritt, das erst in nachfolgenden Reaktionen mit dem in der Schwefelsaure enthaltenen Wasser zu PbO₂ reagiert In diesem System wird das che¬ mische Einschalten durch die Wasserreaktion bewirkt Der Akkumulator gibt jedoch erst in dem Moment elektrische 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 betragt die Energiedichte des SRBM** rund 180 Wh/kg, entsprechend rund 650 kJ/kg, und liegt damit hoher als die einer modernen Lithiumbatterie von rund 120 Wh/kg, ein Bleiakku erreicht rund 30 Wh/kg

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FRSATZBLATT (REGEL 26) Die Figuren 1 la und 1 lb zeigen Flußdiagramme für die Exergie bei der Umsetzung chemi¬ scher Energie im Veriauf der Prozeßfolge für die Atmung Fig I l a bezieht sich auf die Verhaltnisse, wie sie durch die chemiosmotische Hypothese charakterisiert werden Auffal¬ lend ist der krasse Unterschied zwischen dem Eigenbedarf an Exergie wahrend des Abbaues der Glucose und den Verlusten, wie sie in der Atmungskette als Konsequenz der Phospho¬ rylierung auftreten sollen Fig 1 lb zeigt die exergetischen Verhaltnisse, wie sie auftreten, wenn die in der Atmungskette freigesetzte freie Reaktionsenthalpie in elektrische Energie zur Aufladung der Batteriemolekule umgesetzt wird Es treten praktisch keine Verluste auf Die insgesamt zur Verfügung stehende Potentialdifferenz betragt jedoch Δε_R = - 1,2292 V Da hier keine Maßnahmen getroffen sind, um die beiden Stufen der O-,-Reduktion zu tren¬ nen, tritt das Mischpotential auf Die Aufladung der Batteriemolekule ist nicht möglich, weil die Potentialdifferenz 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 Akzep¬ tor beruht, chemoelektrisch zum Tragen kommt Sie lost diese Aufgabe dadurch, daß die freie Reaktionsenthalpie der ersten Stufe transferiert wird und zwar zurück in die Reakti¬ onsfolgen 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

(RRT1) 2 HX + O₂ — > X₂ + H₂O₂ ΔG_R = 0

anstelle von

(RR1 ) 2 H + O₂ — > H₂O₂ ΔG_R = - 1 18,6 kJ/FU

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FRSATZBLATT (REGEL 26) Wird X-, in eine Umgebung übertragen, in der 2 H für die Rückreaktion zur Verfugung stehen, ergibt sich

(RRT2) 2 H + X₂ — > 2 FTX AG_R = -1 18,6 kJ/FU

Mit hoher Wahrscheinlichkeit ist X ein organisch gebundenes Jodid, HX ist ein Komplex wie beispielsweise Tri- oder Tetrajodthyronin (Thyroxin) Der hier erstmals dargestellte Exergietransfer auf der Basis von Jod konnte erklaren, auf welche Weise dem Jod eine wesentliche Funktion im Organismus zukommt, denn Jodmangel führt zu schweren Störun¬ gen und schließlich zum Tod Es ist bekannt, daß Thyroxin im Organismus dort zu finden ist, wo auch H-,0_o auftritt Es ist auch bekannt, daß H^O., über Flavinenzyme im Organis¬ mus gebildet, Jodid zu elementarem Jod oxidiert Wurde man die obige Reaktion RRT 1 direkt mit HJ durchfuhren, entsteht ebenfalls J₀ als elementares Jod Die Figur 13 ist ein Diagramm für Jod-Sauerstoffverbindungen 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 wahlbare Nullpunkt der freien Reaktionsenthalpie Ein Exergietransfer mit dem HX/X_^-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 (FI_?JO₆) peroxidisch ist Man kann dies nutzen, um das durch (RRT1 ) gebildete H₂O, das ja den eigentlichen

Akzeptor 0 enthalt, nicht direkt, sondern über das HJ0₄ zur chemoelektrischen Reaktion zu transportieren Diese Reaktionsfolge wird in der vorliegenden Erfindung genutzt, um tech¬ nisch sowohl die Aufgabe des Exergietransfers als auch des Akzeptortransportes zu losen

Figur 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 fuhrt von der Atmungskette zurück in den C3-Zyklus Die zweite Frage, wofür die übertragene Exergie benotigt wird, kann ein bisher nur unvoll¬ ständig behandeltes Problem losen In der als anaerob bezeichneten Stufe des Abbaus der Glucose (Gycolyse) vom Glycerinaldehyd zur Brenztraubensaure wird offenbar, wie

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FRSATZBLATT (REGEL 26) insbesondere LEHNINGER dies vermutet, eine Oxidoreduktion durchgeführt Sie besteht, wie wir es verstehen, in der Abspaltung des O aus der Alkoholgruppe der Glycerinverbin- dung Diese Reaktion ist exergetisch nur möglich, weil parallel zum O auch 2 H freigesetzt werden und diese 3 Moleküle dann unmittelbar zu H₂O reagieren, wobei -355,8 kJ/FU frei¬ gesetzt werden Wird jetzt der Exergietransfer vom C 3 -Zyklus innerhalb des Mitochon- drions quasi verlängert, und zwar über die Grenzen des Mitochondrions bis zur Oxido¬ reduktion 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 H ) SRBM* * Es ist 8 (-355,8 kJ/mol) = -2 846,4 kJ/FU Der peroxidische Übertrager entsteht, wie auch in der Fig 14a zu erken¬ nen, im C3-Zyklus, und zwar dort, wo die von der Apfelsaure (Malonsaure) abgetrennten 2 H (im Unterschied zu allen anderen) vom FAD aufgenommen werden FADH₀ reagiert mit molekularem Sauerstoff und erzeugt so den Trager

Das zweite Ergebnis ist, daß auch im Zustand fehlender O_^-Zuführ (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 Milchsaure, die dabei freiwerdende freie Reaktionsenthalpie ermöglicht die Durchführung der Oxidoreaktion Allerdings ist der Aufwand groß Es müssen jeweils 6 Milchsauremolekule durch interne Hydrierung von Brenztraubensaure gebildet werden, um ein SRBM** zu erzeugen Inter¬ essant 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 H₀O₂ mit 2 H Entfallt die Zufuhr an H₂O_? im anaeroben Betrieb, folgt automatisch die Hydrierung der Brenztrau¬ bensaure zu Milchsaure

Als letztes sei die Frage angeschnitten, ob die SRBM** technisch hergestellt werden kön¬ nen, und welche Moleküle dafür in Frage kommen Es gibt ein interessantes Beispiel aus der anorganischen Chemie, das insbesondere einen Anhalt dafür geben kann, warum die

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ERSATZBLAπ (REGEL 26) 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 nachfol¬ genden C3-Verbindungen, und das den Abbau der Glucose beschreibt Das Diagramm be¬ schreibt 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-Gefalle von nur -33, 1/2 kJ/FU treibt den Abbau aller Donoren 2 (e^" + H^*) in Glycoly- se 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 Phosphinsaure (H.PO.,) und Phosphonsaure (H₃PO₃) sind Donoren, die Monoperoxophos- phorsaure Akzeptor Phosphorsaure (H₃PO₄) ist für beide Arten des Überganges Endzu¬ stand Es fallt nicht schwer, theoretisch ein Molekui der Formel H₃PO₄ zu konstruieren, dessen freie Bildungsenthalpie im Punkt B liegt, und das die Eigenschaft hat, sowohl Donor für 2 H als auch Akzeptor für 2 H zu sein

Die Donoreigenschaft ist durch das Hydrid der Phosphonsaure gegeben (durch Reaktion mit H₂O entstehen 2 H und die OH -Gruppe), die Akzeptoreigenschaft durch das O der peroxi¬ dischen Bindung Ein solches Molekui existiert und ist unter dem Namen Peroxophosphon- säure bekannt Es bildet sich wahrscheinlich aus Peroxodiphosphonsaure, und es ist ein an¬ organisches Analog 2π-Mg-ATP-0 = SRBM** Synthetische Batteriemolekule lassen sich also im Prinzip erzeugen durch Kombination eines Donors für 2 (e + H ) und eines Akzep¬ tors für 2 (e + H ) Ersterer ist beispielsweise ein Hydrid, ein Metall, ein Metallkomplex, oder ein organischer Ringkompiex mit 2π-Elektronen Als Beispiele für den Akzeptor tre¬ ten vorteilhaft Sauren auf, die peroxidische Bindungen eingehen können wir beispielsweise H₂SO₄, H₃PO₄, aber auch Halogen- und Pseudohalogensaure, und als weiteres Beispiel Fluoroborsaure Ein derartiger Donor und ein derartiger Akzeptor laßt sich auch in Form makroskopischer Anordnungen zusammenfügen

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ERSATZBLAπ (REGEL 26) Die Lehre zum technischen Handeln wird aus den im Vorhergehenden gewonnenen Er¬ kenntnissen abgleitet

1 Die Atmungskette in lebenden Systemen funktioniert als chemoelektrischer Wandler mit der vollen Potentialdifferenz der (2 H + 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 schalt¬ baren, renormierbaren Batteriemolekulen (SRBM) Diese haben die Funktion von Kurz¬ zeitspeichern und übertragen elektrische Energie über jeweils zwei Elektronen und zwei Elektronenlöcher in hydrophober Umgebung, sie können innerhalb der Zelle bewegt wer¬ den, nachdem sie durch den ATP-Synthase-Komplex innerhalb der Membran gebildet wurden

Der Nutzung derartiger Moleküle als transportable Speicher elektrischer Energie kommt insbesondere in technischen MikroSystemen Bedeutung zu, sie können verwendet werden, um in derartigen Strukturen, in denen keine Leitungsbahnen vorhanden sind, gezielt zeit¬ lich und ortlich elektrische Energie freizusetzen Sie können aber auch dafür verwendet werden, in MikroStrukturen durch gezielte Reaktionen mit H^O-Molekulen Strahlung auf zwei oder mehr Wellenlangen (unbuntes Licht) freizusetzen

3 SRBM bestehen im Prinzip aus zwei Teilen Ein Teil enthalt 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-Eiektronen, sei es als Metall, als Metallkomplex oder als Hydridanion wie im Falle der Peroxophosphonsäure

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ERSATZBLAπ (REGEL 26) 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 ahnlichen Eigenschaften wie oben aufgelistet treten an ihre Stelle Dies gilt für Anwendungen in mikroskopischen technischen Systemen Für Anwendungen in makroskopischen technischen Systemen lassen sich Anordnungen aufbauen, die in ihren Eigenschaften den SRBM entsprechen, und die zweckmaßigerweise, mit den beiden Elek¬ troden des chemoelektrischen Wandlers verbunden, in seiner Umgebung fixiert sind

Basis auf der Seite der peroxidischen Bindung sind vorzugsweise Sauren, die zu einer sol¬ chen Bindung fähig sind, wie beispielsweise Schwefelsaure, Phosphorsaure, Halogensau¬ ren, aber auch Fluoroborsauren

Auch in biologischen Systemen, insbesondere in der Atmungskette, geschieht die Reduk¬ tion 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 Enthal¬ pie, 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 Reaktion einer Jodwasserstoffverbindung mit dem molekularen Sauerstoff ent¬ nommen, 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 gebildeten SRBM

Die technische Nutzung beider Stufen der 0-,-Reduktion ist Anliegen der vorliegenden Erfindung 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%

Der Abbau der Glucose in einem biologischen System geschieht wie bekannt in zwei Stu¬ fen In der anaeroben Stufe ist Brenztraubensaure das Endprodukt, der weitere Abbau geschieht im C3-Zyklus Die Analyse zeigt, daß dieser Abbau nur durch internen Exer¬ gietransfer an zwei Stellen möglich ist, dort wo Essigsaure und Bernsteinsaure auftreten Mit heutigen technischen Mitteln kann weder der C3-Zyklus genau nachgeahmt noch der interne Exergietransfer durchgeführt werden Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher extern Exergie zugeführt, um den möglichst vollständigen Abbau der Glucose in jeweils (4 H + CO-,) - Paare zu erreichen Diese Exergie wird von der ersten Stufe der 0,-Reduktιon übertragen (Siehe 4 )

H₂O₂ ist theoretisch Produkt der ersten der 0-,-Reduktιon und als solches in lebenden Systemen nachgewiesen Da H₇O₉ einerseits Zellgift, andererseits reaktionstrage ist, wird es durch Enzyme wie etwa Peroxidase oder Fe-haltige Komplexe zu H„0 und O abge¬ baut, das O als eigentlicher Akzeptor für die Atmungskette abtransportiert

Dieses Prinzip wird für die technische Anwendung übernommen Als Übertrager des aus HΛO-, (das nur Zwischenprodukt sein darf) abspaltbaren O kommen vorzugsweise Sauren in Frage, die der peroxidischen Bindung von 0 fähig sind Als Beispiele seien genannt Halogensauren, aber auch Phosphorsaure und Schwefelsaure

Die Parallelschaltung von sechs Strängen in der Λtmungskette geschieht vermutlich aus Gründen der Redundanz, wird aber in manchen Organismen wie beispielsweise beim Zitteraal offenbar genutzt, um durch Hintereinanderschalten von SRBM** (schaltbares, renormierbares Batteriemolekul - switcheable rechargeable battery molecule, ** bedeuten den aufgeladenen Zustand) höhere Spannungen zu erreichen

Die Ausnutzung dieses Prinzips für technische Anwendungen ist von besonderer Bedeu¬ tung, da in der Technik verkettete Drehstromsysteme mit variabler Frequenz bei höheren Spannungen Anwendung finden Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses Ziel da¬ durch erreicht werden, daß in makroskopischen Systemen die Elektroden mit den an ihnen angeschlossenen und vorteilhafterweise in ihrer Nahe fixierten SRBM vielfach unterteilt werden, voneinander elektrisch isoliert Durch abwechselndes Parallel- und Hintereinan¬ derschalten der Elektroden, und durch Nutzung von Phasenverschiebungen können ver¬ kettete Drehstrome höherer Spannung mit variabler Frequenz ausgekoppelt werden

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ERSATZBLAπ (REGEL 26)

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Umsetzung der in wasserstoffhaltigen Stoffen, insbesondere Glucose und ande¬ ren chemischen 2 H - Speichern, zusammen mit dem Sauerstoff O, der Luft gespeicherten frei¬ en Reaktionsenthalpie in Energie eines elektrodynamischen Feldes in einem chemoelektrischen Wandler auf der Basis der Reaktion (2 H + O —> H₂O), wobei bei der zweistufigen Reduktion des O, die freie Reaktionsenthalpie beider Stufen genutzt wird, wobei die freie Reaktionsenthalpie der ersten Stufe, die zu H₂O, und weiter zum dem eigentli¬ chen Akzeptor O fuhrt, 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 (4 H + CO,) - Paare transferiert wird, wobei die Reaktionsenthalpie der zweiten Stufe, die auf H_^O, beruht, für die eigentliche che- moelektrische Reaktion genutzt wird, und wobei der eigentliche Akzeptor O dem H₂O₂ vorzugsweise über einen Trager auf der Ba¬ sis von Sauren, 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 Nahe 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 Batteriemolekule insbesondere bei der Anwendung in MikroStrukturen durch gezielte Reaktion mit H₂O-Molekulen diese spalten, und das durch Rekombination der dabei freigesetzten O-Radikale erzeugte Licht unterschiedlicher Wellenlange 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 Batteriemolekule in leitender Verbindung stehen, und daß durch peπodische Parallel- und Hintereinanderschaltung der Segmente Strome höherer Spannung mit variabler Frequenz, und bei Berücksichtigung von Phasenverschiebungen, aus mehrkettigen Drehstromsystemen entnehmbar sind