Dank Nanotechnologie könnte die klassische Glühbirne ein Comeback erleben. Denn US-Forschern ist es gelungen, die unerwünschte Wärmestrahlung solcher Lampen gewissermaßen zu recyceln: Sie wird abgefangen, auf den Glühdraht zurückgeworfen und trägt zu seinem Glühen bei. Dadurch erhöht sich die Lichtausbeute solcher Glühbirnen auf bis zu 40 Prozent – das ist mehr als bei manchen LEDs oder Energiesparlampen, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“ berichten.
Viele trauern der guten alten Glühlampe nach. Denn das von einem glühenden Wolframdraht erzeugte Licht hat eine besonders warme, volle Farbqualität, die Energiesparlampen Halogenleuchten und LEDs nicht erreichen. Doch die Glühbirne hat leider einen großen Haken: Sie ist extrem ineffektiv und strahlt mehr als 90 Prozent ihrer Energie als Wärme ab, statt als sichtbares Licht. Aus diesem Grund wurde 2009 der Verkauf von Glühbirnen in Deutschland schrittweise verboten.
Doch jetzt könnte eine Erfindung von Ognjen Ilic vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge der Glühlampe vielleicht zu einem Comeback verhelfen. Denn die Forscher haben eine Methode entwickelt, durch die die Lichtausbeute eines Glühdrahts auf 40 Prozent erhöht wird. „Das übertrifft sogar die kommerziell erhältlichen energiesparenden Alternativen wie LEDs oder Energiesparlampen“, sagen die Forscher.
Wärmestrahlung wird „recycelt“
Erreicht haben sie diese erhöhte Lichtausbeute durch eine Art Recycling: Sie umgaben den Glühdraht mit einer Nanostruktur, die zwar sichtbares Licht durchlässt, nicht aber die Infrarotstrahlung. 80 bis 92 Prozent der Wärmestrahlung werden zurückgeworfen und vom Glühdraht wieder absorbiert. Die Wärmeenergie geht damit nicht verloren, sondern trägt nun ihrerseits dazu bei, den Glühdraht aufzuheizen.
„Der Schlüssel dafür war es, eine photonische Struktur zu entwickeln, die sichtbares Licht durchlässt, aber Infrarotstrahlung in einem weiten Winkelbereich reflektiert“, erklärt Ilic. Der neue Filter besteht aus einem Stapel von extrem dünnen Oxiden mit einem jeweils leicht unterschiedlichen Brechungsindex. Diese Abfolge aus bis zu 90 Schichten kann Infrarotstrahlen aus ganz verschiedenen Winkeln abfangen und zurückwerfen.
Hält der Gluthitze stand
Das Problem dabei: Normalerweise halten solche photonischen Materialien die enorm hohen Temperaturen des Wolfram-Glühdrahts von knapp 3.000 Grad nicht aus, sie würden schmelzen. Um das zu verhindern, platzierten die Wissenschaftler ihre Infrarotfilter nicht direkt auf dem Glühdraht, sondern in einem kleinen Abstand. Im Prototyp bestand der Filter aus wechselnden Schichten von Siliziumdioxid (SiO2) und Tantaloxid (Ta2O5).
Auch die Form des Wolfram-Drahts passten die Forscher an: „In einer normalen Glühbirne ist der Draht lang und spiralig gewunden“, erklärt Koautor Peter Bermel von der Purdue University. „Hier wurde der Glühdraht aus einem dünnen Wolframblech geschnitten, er ist völlig flach.“ Das verbessert die Wiederaufnahme der Wärmestrahlung, so der Forscher.
Bis zu 40 Prozent Lichtausbeute
Tatsächlich erreichte der nach diesem Schema konstruierte Prototyp einer Glühbirne bereits eine deutlich bessere Lichtausbeute als herkömmliche Glühbirnen. Wird die Technik noch weiter optimiert und die Zahl der Schichten im Filter erhöht, dann könnte ein Wirkungsgrad von rund 40 Prozent durchaus erreichbar sein, wie Ilic und seine Kollegen betonen: „Unsere experimentelle Birne ist nur ein Beweis der Machbarkeit und liegt am unteren Ende der Leistung, die man mit diesem Ansatz erreichen kann.“
Hinzu kommt, dass diese Glühbirne neuen Typs trotz des Filters die typische volle Lichtfärbung beibehielt. Farben erscheinen wegen des breiten Spektrums des erzeugten Lichts besonders naturgetreu, wie die Forscher berichten. Die neue Glühbirne ist zudem skalierbar – die von ihr produzierte Lichtmenge kann je nach zugeführter Leistung reguliert werden.
Einfach und günstig herzustellen
Ein weiterer Vorteil dieses „Lichtrecyclings“: Diese Birnen wären relativ günstig herzustellen. „Die Materialien, die wir benötigen, sind reichlich vorhanden und billig“, sagt Ilic. „Und die aus diesen gängigen Materialien aufgebauten Filter lassen sich auch in großem Maßstab gut herstellen.“ Bis solche Glühbirnen der neuen Machart jedoch marktreif sind, müssen die Forscher noch an der Lebensdauer und thermischen Stabilität des Filters arbeiten, wie sie einräumen.
Dennoch sind sie zuversichtlich, dass diese Technologie nicht nur neue Leuchtmittel ermöglichen wird, sondern künftig auch Sonnenkollektoren der thermischen Photovoltaik verbessern kann. Bei dieser Technologie wird die Sonnenhitze genutzt, um ein Material zum Glühen zu bringen. Dieses Licht wird dann photovoltaisch in Strom umgewandelt. (Nature Nanotechnology, 2016; doi: 10.1038/nnano.2015.309)
(Nature, 12.01.2016 – NPO)
