Die Glühbirne kommt zurück

Von unserer Korrespondentin Elke Bunge

Die Glühbirne könnte dank Nanotechnologie eine Rückkehr erleben. Forscher haben deren unerwünschte Wärmestrahlung auf den Glühdraht reflektiert. Der glüht erneut und erzielt eine höhere Lichtausbeute. Auch bei Sonnenkollektoren kann dieses Verfahren genutzt werden.

Thomas Edison gilt als Erfinder der Glühbirne. Er soll nach 9.999 misslungenen Versuchen, die perfekte Glühbirne zu entwickeln, nicht etwa entmutigt gewesen sein, sondern gesagt haben: „Ich habe einfach 9.999 Wege gefunden, die Glühbirne nicht zu erfinden.“ Doch die vom ihm entwickelte Lichtquelle, die jahrzehntelang den Erdball eroberte, hatte einen wesentlichen Nachteil: Nur 10 Prozent der benötigten Energie war als sichtbares Licht nutzbar, der Rest ging als Wärmeenergie verloren.

Energiesparlampen, Halogenleuchten und LEDs zogen daher in Zeiten der Energieeffizienz in Wohn- und Arbeitsräumen ein. Doch das warme und angenehme Farbspektrum des glühenden Wolframdrahts in der klassischen Glühbirne haben sie nie erreicht. US-Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge ist es jetzt gelungen, diese Wärmestrahlung aufzufangen und auf den Glühdraht zurückzuwerfen.

Nanotechnologie macht es möglich

Durch diese Reflexion kann die zurückgesandte Wärmeenergie genutzt werden, den Wolframdraht erneut zum Glühen zu bringen. Mit Hilfe des neuartigen Verfahrens lässt sich eine um 40 Prozent höhere Lichtausbeute erzielen. Die klassische Glühbirne übersteigt damit die Energieeffizienz von einigen Halogen- und LED-Leuchtquellen.

Um die Wärmestrahlung aufzufangen, umgaben die Wissenschaftler den Wolframdraht mit einer Nanostruktur aus Siliziumdioxid (SiO2) und Tantaloxid (Ta2O5). Diese besonders hitzebeständigen Oxide lassen zwar sichtbares Licht passieren, nicht aber die warme Infrarotstrahlung. Diese wird bis zu 92 Prozent aufgefangen und heizt den Draht erneut auf und bringt ihn wieder zum Leuchten. „Der Schlüssel dafür war die Entwicklung einer fotonischen Struktur, die sichtbares Licht durchlässt, aber Infrarotstrahlung in einem weiten Winkelbereich reflektiert“, erklärt Ognjen Ilic vom MIT.

Bis zu 3.000 Grad heiß

Doch dies ist nur ein Teil der Technologie. Ein weiteres Problem bestand für die Forscher in den extrem hohen Temperaturen eines glühenden Wolframdrahts. Dieser erreicht Werte von nahezu 3000 Grad Celsius. Damit die fotonische Nanostruktur nicht durch die enorme Hitze zerstört wurde, platzierten die Wissenschaftler ihre Infrarotfilter nicht direkt auf dem Glühdraht, sondern in einem kleinen Abstand. Weiterhin optimierte das Team die Form. Aus dem bisher verwendeten spiralförmigen Draht wurde eine hauchdünne Platte. Auf diese Weise kann die zurückgestrahlte Wärmeenergie optimal aufgenommen werden.

Energie wird wiederverwendet

Doch die Wiedereinführung der Glühbirne von Edison ist nicht die Hauptmotivation der Wissenschaftler für ihre Studien. Ihre Forschungsarbeiten dienen dem prinzipiellen Verständnis und den Möglichkeiten, thermische Emissionen von heißen Objekten aufzufangen und wiederzuverwenden.

„Die Entwicklung einer neuen Glühlampe ist nicht das wesentliche Ziel unserer Forschung. Unsere Arbeiten dienen dem grundsätzlichen Verständnis der physikalischen Prozesse thermischer Strahlung für ein breites Einsatzgebiet“, sagt Ilic. „Jeder heiße Körper gibt Strahlung ab, je nach Anwendung wollen wir erwünschte Wellenlängen frei werden lassen, unerwünschte Strahlung zurückwerfen“, so Ilic weiter. „Diese Idee ließe sich beispielsweise auch in der Fotovoltaik einsetzten.“

Denn das sichtbare Licht, auf das normale fotovoltaische Elemente ansprechen, ist nur ein Teil der ausgestrahlten Sonnenenergie. Ein weiterer Frequenzbereich sind die für das menschliche Auge nicht sichtbaren wärmenden Infrarotstrahlen. „Gelingt es, dieses Spektrum von Energiestrahlen maßgeschneidert umzuwandeln, könnte die Effizienz herkömmlicher Fotovoltaikanlagen durch sogenannte Thermo-Fotovoltaikanlagen deutlich erhöht werden“, so Ilic.

Zur Autorin

Von Hause aus Physikochemikerin, promovierte Elke Bunge in Berlin als Schering-Stipendiatin auf dem Gebiet der Nano- und Wafertechnologie (Rastertunnelmikroskopie an Einkristalloberflächen) mit Forschungsaufenthalten an der Universität Liverpool und eingeladenen Vorträgen zu ihren Forschungsarbeiten u.a. in Wales, Madrid, Cambridge und Los Angeles. Im Anschluss folgte eine mehrjährige Mitarbeit als rechte Hand der Forschungsleitung bei Atotech, einer Tochter der französischen Total. Seit 2000 verschrieb sie sich der Öffentlichkeitsarbeit im Bereich Wissenschaft und Forschung für Forschungseinrichtungen sowie in der freien Wirtschaft. Ihre jahrelangen Erfahrungen auf dem Gebiet Forschung und Entwicklung und die Freude, komplizierte wissenschaftliche Zusammenhänge für ein breites Publikum verständlich zu machen, brachten sie dazu, seit 2008 als Autorin auf dem Gebiet Wissenschafts-, Technik- und Umweltjournalismus zu publizieren.