20. Jan 2016

Die Rückkehr der Glühlampe – Will Light come back?!

Steht die Glühlampe vor einem Comeback? Forscher des MIT entwickeln im Labor eine zweistufige Glühfadenlampe, die doppelt so effizient sein soll wie die LED!

Von Joachim Ritter

Unsere Welt ist schnelllebig. War noch vor gut einem Jahr Shuji Nakamura mit der Auszeichnung es Physiknobelpreises DER Held der gesamten Lichtbranche, scheint seine Errungenschaft plötzlich schon wieder in Frage zu stehen und veraltet zu sein. Er selbst sagt, dass das Laserlicht das Licht der Zukunft sein wird und die Lichtlandschaft prägen wird. Doch schon scheint die Lichtwelt möglicherweise wieder eine andere Richtung zu nehmen und vielleicht sogar auf alten Pfaden zu wandeln.

Forscher des MIT ist es gelungen, im Labor die Glühlampe konzeptionell zu überarbeiten und doppelt so effizient zu machen wie die LED. Das ist kein Scherz! Gerade jetzt, als sich viele Planer mit den Vorteilen der LED arrangiert haben und die gesamte Lichtbranche in Frankfurt nur noch die LED zu kennen scheint, platzt diese Information in die wissenschaftlichen Gazetten.

Und schon erinnern die ersten Planer und Fachleute an die Vorteile der Glühlampe und die Nachteile der hochtechnischen Halbleitertechnik. Zu den Fakten:

Konventionelle Glühlampen, die praktisch kurz vor dem Aus steht, könnten Dank eines technologischen Durchbruchs eine Renaissance erleben. Das warme, bekannte Leuchten der Glühlampe ist noch immer beliebt. Diese Situation ändert sich aber schnell, da Vorschriften im Rahmen der Energieeffizienz zur stufenweisen Abschaffung von Glühlampen geführt haben. An ihrer Stelle kann der Endverbraucher Kompaktleuchtstofflampen (CFLs) und/oder lichtemittierende Dioden (LEDs) erwerben.

Glühlampen, von Thomas Edison kommerziell entwickelt (und weiterhin gerne von Karikaturisten als Symbol für Erfindergeist verwendet), funktionieren, indem ein sehr dünnen Wolframdraht auf eine Temperatur von rund 2700 Grad Celsius erhitzt wird. Der erhitzte Draht emittiert eine so genannte Schwarzkörperstrahlung, ein sehr breites Lichtspektrum, das warm wirkt und alle Farben einer Umgebung originalgetreu wiedergibt.

Das Hauptproblem bei Glühlampen ist, dass sie mehr als 95 Prozent der Energie, die sie verbrauchen, als Wärme verloren geht wird: Die Wärme wird abgeleitet. Demzufolge wird die Glühlampe Land für Land abgeschafft. Die Technologie ist so nicht effizient. Nun haben Forscher am MIT und an der Purdue University eine Möglichkeit entdeckt, die Energieaufteilung in Licht und Wärme zu verschieben.

Über die neuen Erkenntnisse berichten drei Professoren des MIT in der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature Nanotechnology: Marin Soljačić, Professor der Physik; John Joannopoulos, der Francis Wright Davis Professor der Physik; und Gang Chen, der Carl Richard Soderberg Professor für Power Engineering, sowie der MIT-Laborleiter Ivan Celanovic, Dr. Ognjen Ilic und der Professor der Physik an der Purdue University, Indiana/USA (und MIT-Alumnus) Peter Bermel.

Licht-Recycling
Es geht darum, berichten die Forscher, einen zweistufigen Prozess schaffen. Die erste Stufe beinhaltet einen konventionellen erhitzten Glühfaden, der Wärme abgibt. Aber anstatt die Wärmeabfuhr in Form von Infrarotstrahlung zu verschwenden, fangen Sekundärstrukturen um den Glühfaden herum diese Strahlung ein und reflektieren sie zurück zum Glühfaden, wo sie resorbiert und als sichtbares Licht wieder abgegeben wird. Die Sekundärstrukturen, eine Art photonische Kristalle, können kostengünstig mittels herkömmlicher Technologie hergestellt.

Die zweite Stufe macht den großen Unterschied in dem Wirkungsgrad des Systems bei der Wandlung der elektrischen Energie in Licht. Eine konventionelle Glühlampe wandelt zwischen zwei und drei Prozent der elektrischen Energie in Licht, Leuchtstofflampe (einschließlich CFLs) zwischen sieben und 15 Prozent und die meisten kommerziellen LEDs zwischen fünf und 20 Prozent. Das MIT-Team behauptet, dass die neuen zweistufigen Glühfadenlampen bis zu 40 Prozent erreichen könnten.

Die ersten Prototypen sind noch nicht so leistungsfähig: Sie erreichen rund 6,6 Prozent, was dem Wirkungsgrad einiger CFLs und LEDs entspricht, die gegenwärtig auf dem Markt sind, und jetzt schon dreimal so effizient wie konventionelle Glühlampen ist.

Das Team nennt ihren Ansatz „Licht-Recycling“, da die verwendeten Materialien die unerwünschten, nutzlosen Wellenlängen der Energie einfangen und sie in die erwünschten sichtbaren Wellenlängen des Lichts wandelt. Soljačić: „Recycelt wird die Energie, die sonst verschwendet würde“.

Bulbs and beyond
Entscheidend für diesen Erfolg war die Entwicklung des photonischen Kristalls, der für sehr viele Wellenlängen und Abstrahlungswinkel funktioniert. Der photonische Kristall selbst besteht aus vielen aufeinander „gestapelten“ Schichten, die auf ein Substrat aufgebaut sind. „Wenn man passend dicke Schichten in der richtigen Reihenfolge zusammenfügt, kann man es sehr genau einstellen, wie das Material mit dem Licht interagiert“, erklärt Ilic. Bei ihrem System dringen die erwünschten Wellenlängen durch das Material durch und weiter aus der Lamp hinaus. Die infraroten Wellenlängen dagegen werden reflektiert, wie von einem Spiegel. So werden sie zurück zum Glühfaden geleitet und erhöhen die Wärme, die wiederum in noch mehr Licht gewandelt wird.

„Die Ergebnisse sind schon beeindruckend und können durchaus mit den Werten und Wirkungsgraden von konventionellen Leuchtmitteln – einschließlich Leuchtstofflampen und LED – konkurrieren“, sagt Alejandro Rodriguez, Assistant Professor für Elektrotechnik an der Princeton University, der nicht unmittelbar an dieser Forschung beteiligt war. Seiner Meinung nach bieten die Erkenntnisse „weitere Beweise dafür, dass die Anwendung von innovativen photonischen Entwicklungen, um alte Probleme zu lösen, kann potentiell zu neuen Produktlösungen führen. Ich glaube, dass diese Studie der Forschung neuen Mut machen wird und den Weg bereiten für weitere Forschungsaktivitäten im Bereich Glühlampenlicht“.

Unterstützt wurde die Forschung durch das MIT Institute for Soldier Nanotechnologies von dem Army Research Office sowie von dem S3TEC Energy Frontier Research Center, das von dem U.S. Department of Energy finanziert wird.

Sollte sich herausstellen, dass die überarbeitete Glühlampe effizienter ist als die LED, das zeigt der Erfahrung und Geschichte, wird sie die LED in Teilen wohl wieder verdrängen…

Mehr Infos hier!

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