Preiswürdige Beleuchtungstechnik: Physik-Nobelpreis für Blaulicht

In Stockholm ist heute um 11:45 Uhr der diesjährige Nobelpreis für Physik verkündet worden: Isamu Akasaki von der Meijo University in Nagaoya, Hiroshi Amano von der Nagoya University und Shuji Nakamura von der University of Californa in Santa Barbara, USA, bekommen den Preis für Ihre Entdeckung von effizienten Leuchtdioden, die blaues Licht abgeben und damit zu energiesparenden Lichtquellen beitragen.

Ausgezeichneter Erfindergeist

Die Erfindung sei ganz im Sinne des Stifters Alfred Nobel eine "Erfindung von großer Bedeutung für die Menschheit". Denn seit es die Blaulicht-Diode gibt, kann weißes Licht dargestellt werden.

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Die Preisträger hatten die Technik in den 1990ern entwickelt und damit eine Revolution in der Beleuchtungstechnik ausgelöst "Während das 20ste Jahrhundert von Glühlampen beleuchtet wurde, wird das 21ste von LED-Lampen erhellt werden", schreibt das Nobelpreiskomitee in ihrer Pressemitteilung. Der Vorteil von LED ist, dass sie Licht mit wesentlich weniger Energieverbrauch produzieren können als Glüh- oder Halogenlampen. Während Glühlampen pro Watt nur 12 bis 16 Lumen (das Maß der Leuchtstärke) produzieren, liegen LED bei 300 Lumen pro Watt.

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Wandernde Elektronen und Elektronenlöcher

Rote und grüne Dioden gab es schon länger, doch es fehlte eine blaue, um weißes Licht zu produzieren. Viele Forscher und Ingenieure hatten versucht, eine Blaulichtdiode zu konstruieren, doch waren gescheitert. Die Preisträger schafften es zu einer Zeit, als Akasaki mit Amano an der Universität Nagoya zusammenarbeitete und Nakamura noch bei der Firma Nichia Chemicals in Tokushima beschäftigt war. Nakamura hat inzwischen auch die US-amerikanische Staatsbürgerschaft.

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Leuchtdioden bestehen aus mehreren Halbleiter-Schichten mit unterschiedlichem Elektronengehalt. In der n-Schicht gibt es Elektronen im Überschuss. Die p-Schicht hat hingegen einen Mangel an Elektronen, oder anders ausgedrückt einen Überschuss "Elektronenlöchern". Werden diese Schichten einem elektrischen Impuls ausgesetzt, wandern die Elektronen und "Elektronenlöcher" in die "aktive" Schicht zwischen n- und p-Schicht, vereinen sich und geben Licht ab. Die Wellenlänge des Lichts, also die Farbe, hängt davon ab, wie die Halbleiter beschaffen sind. Blaues Licht ist kurzwellig und kann nur von bestimmten Materialien produziert werden. Wie schwierig es war, die richtige Materialmischung für Blaulichtdioden zu finden, zeigt, dass die ersten Experimente, Licht mit Hilfe von Dioden zu produzieren,schon 1907 durchgeführt wurden, vom 1909er Physiknobelpreisträger Guglielmo Marconi. In den 1950ern wurde die Rotlichtdiode entwickelt, doch eine blaue Diode zu erfinden, gelang nicht.

Mühsame Kristallzucht

Akasaki, Amano und Nakamura experimentierten vor allem mit einem Material namens Galliumnitrid. Das hatten auch schon andere versucht, doch niemand war in der Lage gewesen, ausreichend große und qualitativ saubere Kristalle des Materials zu züchten. 1986 gelang den Japanern das Kunststück. Doch es dauerte dann noch bis in die späten 1980er Jahre, bis sie aus dem Material eine p-Typ-Halbleiterschicht konstruieren konnten. Dabei kam ihnen der Zufall zu Hilfe: Als Akasaki und Amano das Material im Elektronenmikroskop untersuchten, es also mit Elektronen beschossen, glänzte es intensiver als sonst. Offenbar verbesserte der Elektronenstrahl die p-Schicht, indem er Wasserstoff aus dem Material entfernte.1992 schließlich, nach dreißig Jahren kleinteiliger Forschungsarbeit, hatten die drei Forscher endlich eine Diode in Händen, die Blaulicht produzierte.

Später entwickelten die Forscher, aufbauend auf der Blaulichtdiode, auch einen Blaulicht-Laser. Ein Vorteil dieser Laser ist, dass der Lichtstrahl aufgrund der kurzen Wellenlänge sehr dicht gepackt werden kann. Dadurch kann vier Mal mehr Information verschickt werden als mit einem Infrarotlaser. Ein Effekt, den bereits jedermann beim Ansehen von "Blue-ray"-DVDs oder beim Laserdruck nutzt. Überhaupt sind LED heute aus Computern, Handys, Fernsehern oder Kamerablitzen nicht mehr wegzudenken.

Die drei Nobelpreisträger hätten "anerkanntes Wissen in Frage gestellt, hart gearbeitet und beträchtliche Risiken auf sich genommen", um zum Erfolg zu kommen, schreibt das Nobelpreiskomitee. Sie bauten sich nicht nur die nötige Laborgerätschaften selbst, sondern führten auch tausende von Experimenten durch. Damit wird dieses Mal weniger bahnbrechende Grundlagenforschung als mühsame, aber ebenso wertvolle anwendungsorientierte Forschung durch den Nobelpreis gekürt.

Heller, billiger, zäher

Wie groß die Bedeutung von Leuchtdioden ist, zeigt ein Blick auf den Stromverbrauch: Etwa ein Viertel der weltweiten elektrischen Energie wird für Beleuchtung benötigt. Da LED elektrischen Strom direkt und mit nur minimalem Energieverlust in Licht umwandeln, können sie einen großen Beitrag zum Energiesparen leisten. Glühlampe, wo erst durch den Widerstand und das Glühen des Wolframdrahtes Licht produziert wird, produzieren hingegen sehr viel Wärme und sind infolgedessen vergleichsweise ineffizient.Darüberhinaus übersteigt die Lebendauer der LED die von Glühlampen und anderen Beleuchtungsprinzipien: Während Glühbirnen etwa 1000 Stunden lang leuchten, halten LED durchschnittlich 100000 Stunden durch.