Zeitung Heute : Mit Licht gegen Viren

Neuartige Leuchtdioden reinigen Wasser, härten Zahnfüllungen und sparen zugleich Energie

Heiko Schwarzburger

Money Makes the World Go Round. Reichte früher der kundige Blick des Bankiers, um sich von der Echtheit eines Geldscheins zu überzeugen, muss heute Hightech ran. Die neuen Euro-Scheine oder beispielsweise das Pfund Sterling ihrer Majestät der Queen haben fein eingewebte Fäden im Papier, die unter einer UV-Lampe leuchten. Mit dem bloßen Auge kommt man da nicht weit, denn ultraviolettes Licht schließt sich dem violetten Spektrum des sichtbaren Lichts an. Weil es mit dem Sonnenlicht auf die Erde kommt, ist es faktisch überall, jedoch in so geringer Intensität, dass man es kaum bemerkt. Bestimmte Anteile des UV-Spektrums werden durch die Atmosphäre gänzlich abgeschirmt.

Ultraviolettes Licht ist sehr energiereich und deshalb für viele Organismen tödlich. „Diesen Effekt nutzt man aus, um Wasser zu desinfizieren“, erläutert Michael Kneissl, Physikprofessor an der TU Berlin und Leiter des Geschäftsbereiches Galliumnitrid-Optoelektronik am Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik. „Mit Hilfe von speziellen Lampen wird das Wasser so genannter UVC-Strahlung mit Wellenlängen von 100 bis 280 Nanometern ausgesetzt. Die Bakterien und Viren nehmen die UV-Photonen auf. Ihre Energie sprengt die Bindungen im Erbgutmolekül (DNS), die Organismen können sich nicht fortpflanzen. Ihre Vermehrung ist unterbrochen.“

In den USA ist diese Technik zur Wasserhygiene schon Standard. Allerdings kommen bisher Dampflampen mit Quecksilber zum Einsatz, nicht minder wirkungsvoll als Bakterien und Viren. „Wir ersetzen die Quecksilberlampen durch UV-Leuchtdioden “, sagt Kneissl. „Wir müssen aber noch einige Hindernisse überwinden, denn Leuchtdioden mit ultraviolettem Licht hinken Leuchtdioden für Rot, Grün oder Blau um fünf bis zehn Jahre hinterher. Der Forschungsbedarf hinsichtlich der Halbleitermaterialien und der Chiptechnologie ist erheblich.“

Um Wasser zu desinfizieren, braucht man Licht mit einer Wellenlänge zwischen 265 Nanometern und 280 Nanometern. Die TU-Forscher haben ihre Ziele weiter gefasst: Sie wollen UV-Dioden für 210 bis 400 Nanometer entwickeln. „Eine Leuchtdiode braucht viel weniger Antriebsstrom als eine Lampe, bei der die meiste Energie in Wärme umgesetzt wird“, erklärt Kneissl. „Eine LED für UV-Licht braucht keine Aufwärmphase. Die Wellenlänge des Lichts, das sie abstrahlt, kann auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten werden, ganz anders als die Quecksilberlampe, bei der man die Wellenlänge nicht einstellen kann.“ Außerdem leuchten LEDs 50- bis 100-mal länger als konventionelle Lichtquellen.

In vielen Regionen der Erde ist die schlechte Qualität des Trinkwassers ein wachsendes Problem, nicht nur in Krisengebieten. In Mexiko, Südamerika oder auch Südeuropa muss das Wasser erhitzt und abgekocht werden, bevor es für Getränke oder Speisen verwendet werden kann. „UV-LEDs könnte man direkt an den Wasserhahn anbauen“, so die Vision von Michael Kneissl. „Man muss sich nicht mehr darum kümmern, woher das Wasser kommt, denn man kann es dort desinfizieren, wo es verbraucht wird.“

In Deutschland ist diese Technologie noch nicht verbreitet. Um Keime im Trinkwasser abzutöten, muss das Wasser im Tank kurz auf mehr als 65 Grad Celsius erhitzt werden. Dafür wird enorm viel Wärme verbraucht. UV-spendende LEDs könnte man aus Solarzellen speisen, damit wäre die Desinfektion vollkommen autonom möglich. Vor allem für abgelegene Gebiete ist diese Lösung interessant. Aber nicht nur dort: In Kneissls Mailbox liegt eine Anfrage von Airbus. Die Wassertanks in den Flugzeugen müssen gleichfalls desinfiziert werden, am besten schnell, reibungslos und mit geringem Aufwand.

Die Forscher um Michael Kneissl arbeiten an LEDs, deren Wellenlänge innerhalb des UV-Bereichs genau eingestellt werden kann. Das erlaubt auch medizinische Anwendungen. Während harte UV-Strahlung beispielsweise Hautkrebs verursachen kann, hat UV-Licht zwischen 310 und 320 Nanometern Wellenlänge eine heilende Wirkung bei Schuppenflechte. „Auch dabei ist die UV-Leuchtdiode der Quecksilberdampflampe überlegen, denn mit der Lampe kann man die Wellenlänge der Strahlung nicht variieren.“ Mit LEDs wäre es auch einfacher, Farben und Kunststoffe zu härten. Diese Technologie wird zum Beispiel beim Zahnarzt angewendet, um Zahnfüllungen mit Hilfe von UV-Lampen hart zu machen. Ultraviolettes Licht kommt auch zum Einsatz, um die Farben auf Verpackungen für Supermärkte so auszuhärten, bis sie wasserfest sind.

Die Berliner Forschungen werden durch die Firma Heraeus Noblelight in Hanau unterstützt, einem der wichtigsten Hersteller von UV-Lampen. „Heraeus ist an unseren Forschungen zu den LEDs sehr interessiert, auch zur Härtung mit ultraviolettem Licht“, sagt Kneissl. „Unser Ziel ist es, die Ideen und Lösungen möglichst schnell in nützliche Produkte zu überführen. Die LEDs sparen Energie, ersetzen Quecksilberdampflampen und eröffnen dem UV-Licht neue Einsatzfelder.“

In einem anderen Projekt untersuchen die Forscher, wie mit Hilfe von Lasern besonders brillante Farben für neue Fernsehtechniken entstehen können. Denn in Bildschirmen und Druckereien werden verschiedene Modelle verwendet, um Farben zu mischen. Doch an das menschliche Auge reichen sie nicht heran. Der echte Farbenzauber fängt erst an, wenn der Laser ins Spiel kommt.

Dabei setzen die Wissenschaftler der TU Berlin auf modifizierte Halbleiter, in deren Material so genannte Quantenpunkte eingebracht wurden. Das sind nur wenige Atome große Ansammlungen bestimmter Elemente, die das quantenmechanische Verhalten der Halbleiter wesentlich verändern. Gepaart mit neuen Technologien für Bauelemente, die ohne komplizierte Spiegel auskommen, gelang es Forschern, die verschiedenen Spektralfarben Rot, Grün und Blau mit geringem Energieaufwand und Brillanz zu erzeugen. Dabei lassen sich die Farben maßschneidern, denn die Quantenpunkte verändern unter anderem die Wellenlänge des Lasers.

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