Physik-Nobelpreis für Forschung an LED: Sie erleuchten das 21. Jahrhundert

Das Ende ist unausweichlich. Seit knapp zwei Jahren dürfen in der EU keine Glühlampen mehr verkauft werden. Zwar lagern sie noch zu Tausenden in Regalen, Schränken und Speichern, um bei Bedarf in eine Fassung geschraubt zu werden, langfristig jedoch wird ihr Licht verlöschen. Das Verbot – so umstritten wie nur wenig andere Entscheidungen der Europapolitiker – ist eine Folge der Erfindungen von drei japanischstämmigen Forschern: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura haben die LED-Lichttechnik maßgeblich vorangebracht und werden dafür mit dem diesjährigen Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Er ist mit umgerechnet 880 000 Euro dotiert.

Dank ihrer Arbeiten an blau leuchtenden LEDs ließen sich Lampen bauen, die weitaus effizienter, langlebiger und ressourcenschonender seien als bisherige Leuchtmittel, lautet die Begründung des Nobelpreiskomitees vom Dienstag. „Glühlampen erleuchteten das 20. Jahrhundert, das 21. Jahrhundert wird von LED-Lampen erhellt“, heißt es da etwas pathetisch.

LED bringen auch TV-Bildschirme und Smartphones zum Strahlen

Tatsächlich werden mit der LED-Technik (light-emitting diode) nicht nur Lampen zum Strahlen gebracht, sie lässt auch Bildschirme von Fernsehgeräten oder Smartphones leuchten. In Zukunft, hoffen Wissenschaftler, könnten Leuchtdioden auch dazu genutzt werden, um den Ertrag von Pflanzen zu steigern oder Licht zu schaffen, das besser auf die Bedürfnisse der Menschen zugeschnitten ist und sie beispielsweise munter macht, wenn es nötig ist. Den größten Fortschritt sieht das Nobelpreiskomitee allerdings für jene 1,5 Milliarden Menschen, die keinen Zugang zu einem Stromnetz haben. Da LEDs nur sehr wenig Elektroenergie benötigen, können sie zum Beispiel mithilfe von Solarzellen und Batterien bis tief in die Nacht hinein betrieben werden. Die neue Lichttechnik sei ganz im Sinne des Stifters Alfred Nobel eine „Erfindung von großer Bedeutung für die Menschheit“.

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Die Technik kommt ohne Quecksilber aus

LEDs sind völlig anders als Glühlampen. In den „Birnen“ wird ein feiner Metalldraht zum Glühen gebracht. Es entsteht jede Menge Wärme und ein kleines bisschen Licht. In LEDs hingegen wird aus der gleichen Menge Strom wesentlich mehr Licht gewonnen. Physiker geben das Verhältnis in Lumen pro Watt an. Zum Vergleich: Klassische Glühlampen liefern 16 Lumen pro Watt, Leuchtstoffröhren (deren Prinzip auch Energiesparlampen zugrunde liegt) schaffen knapp 70, moderne LEDs über 300. Desweiteren halten sie viel länger, was unterm Strich den Materialverbrauch reduziert. Und sie enthalten kein Quecksilber wie die Energiesparlampen.

© Johan Jamestad/Royal Swedish Academy of Sciences/TSP

Aufgebaut wie ein Sandwich

Leuchtdioden kann man sich wie ein Sandwich vorstellen. Unten, anstelle der Toastscheibe, befindet sich ein Halbleitermaterial wie zum Beispiel Galliumnitrid. Dessen Zusammensetzung wird so eingestellt, dass es dort nach dem Wachsen des Kristalls einen Elektronenüberschuss gibt. Also ein Plus an negativen Ladungsträgern, weshalb Forscher auch „n-dotiert“ sagen. Die obere Toastscheibe besteht ebenfalls aus Galliumnitrid, jedoch mit einem Überschuss an positiven Ladungsträgern und wird daher „p-dotiert“ genannt. Die Pendants zu den Elektronen kann man sich als Löcher vorstellen, in die die Elektronen hineinpassen. Genau das passiert in der „Käsescheibe“, wenn eine Spannung angelegt wird – wobei Physiker lieber von „aktiver Schicht“ sprechen: Dort, zwischen n- und p-Schicht, verbinden sich Elektronen und Löcher. Dabei fallen die Elektronen von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres und geben Licht mit einer bestimmten Wellenlänge ab. Die Wellenlänge hängt ab von der Differenz der beiden Energieniveaus, welche wiederum durch die verwendeten Halbleitermaterialien bestimmt ist.

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Rot und Grün waren bald vorhanden - es fehlte Blau

Bereits Ende der 1950er Jahren gelang es, Leuchtdioden zu bauen, die rotes Licht aussenden. Sie wurden etwa für Digi1taluhren oder simple An/Aus-Anzeigen benutzt. Rund zehn Jahre später gab es auch grüne LEDs. Um weißes Licht zu erhalten, fehlten aber noch blau leuchtende Dioden. Erst die Mischung der drei Farben ermöglicht es, das bekannte Licht zu erzeugen.

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In vielen Laboren tüftelten Wissenschaftler an Halbleiterkristallen, die blaues Licht aussenden sollten. Die meisten scheiterten. Akasaki und Amano, die an der Nagoya-Universität forschten, sowie Nakamura, damals noch bei einer japanischen Firma angestellt, gelangen seit Ende der 1980er Jahre wichtige Fortschritte (sehen Sie hier die Preisträger im Porträt). In den frühen 1990er Jahren präsentierten sie die ersten blau strahlenden Dioden, die im Lauf der Zeit immer besser wurden.

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Licht wird immer billiger

Damit war es möglich, mittels LED weißes Licht zu erzeugen. Die Folgen sind kaum abzuschätzen. Auf der einen Seite steht der Gewinn für jene, die in gering entwickelten Ländern leben und nun endlich Licht nutzen können, wann immer sie wollen. Auf der anderen Seite führt preiswertes Licht dazu, dass die Nächte immer heller werden. Seit Jahren nimmt die Lichtverschmutzung zu, die Entwicklung wird sich fortsetzen, weltweit. Manche Auswirkungen auf die Natur mögen am Ende geringer sein als bislang befürchtet. Doch es wird nicht nur positiv für Mensch und Tier sein, die über Jahrmillionen an einen Hell-Dunkel-Rhythmus gewöhnt ist, wenn es kaum noch echte Nächte gibt.

LEDs sollen Nachtarbeit angenehmer machen

„Wir wissen inzwischen, dass der biologische Rhythmus des Menschen stark durch Lichtreize beeinflusst wird“, sagt Dieter Kunz von der Klinik für Schlaf- und Chronomedizin im St.-Hedwig-Krankenhaus Berlin. Daraus entstand die Idee, künstliches Licht zu nutzen, um etwa die Leistungsfähigkeit zu verbessern. Doch die genaue Wirkung im Körper sei noch kaum verstanden, sagt der Forscher. „Vor zehn Jahren dachte man: kalt-weißes Licht mit hohem Blauanteil am Morgen genügt, damit sich alle besser fühlen. So einfach ist es aber nicht.“

Kunz und seine Kollegen konzentrieren sich vor allem auf Nachtarbeiter, die erwiesenermaßen ein erhöhtes Krankheitsrisiko haben. Sie wollen Beleuchtungsszenarien entwickeln, die den biologischen Rhythmus der Betroffenen nicht aus dem Takt bringen und es ihnen trotzdem ermöglichen, zu sehen. Dazu benötigen sie Lampen, bei denen die Zusammensetzung des Lichts mit einfachen Mitteln verändert werden kann: LEDs.