Kaltes Licht

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Nur einen Bruchteil der elektrischen Energie, von der sie gespeist wird, wandelt eine Glühlampe in Licht um. Der Rest geht in Form von Wärme verloren. Doch vielleicht lässt sich der Wirkungsgrad der Leuchtmittel verbessern, wenn anstelle der Glühwendel ein filigranes Netz aus Wolfram zum Einsatz kommt. Wie sich herausstellte, kann dieses die "unnützen" infraroten Photonen unterdrücken und deren Energie prinzipiell für sichtbares Licht nutzbar machen.

Thorsten Krome

Wer schon einmal versucht hat, eine brennende Glühlampe aus der Fassung zu drehen, wird es schmerzhaft erfahren haben: Nur fünf Prozent der elektrischen Energie wandelt die Wolfram-Wendel im Inneren des Kolbens in Licht, die restliche Energie erhitzt das Glas der Lichtquelle derart, dass man sich schon bei einer flüchtigen Berührung die Finger verbrennen kann.

Natürlich ist das nicht im Sinne des Erfinders, doch ist dieser Nebeneffekt in der Funktionsweise der Lampen begründet. Denn Wolframlampen, die am weitesten verbreiteten Glühbirnen, zeigen als Temperaturstrahler ein kontinuierliches Spektrum, dessen Hauptanteil im Infraroten liegt. Erst bei 6500 Kelvin würde das Verhältnis der sichtbaren zur Gesamtstrahlung ein Maximum mit 40 Prozent erreichen – doch schmilzt Wolfram schon bei 3680 Kelvin, sodass die Temperatur gewöhnlicher Glühfäden normalerweise 3000 Kelvin nicht überschreitet.

Vielleicht lässt sich jedoch die Wärmeabgabe von Wolfram mit einem Trick reduzieren und damit der Wirkungsgrad der Lampen steigern. Das jedenfalls vermuten Jim Fleming von den Sandia National Laboratories in Albuquerque und seine Kollegen. Die Forscher schufen nämlich einen photonischen Kristall aus Wolfram, der eine große Bandlücke im Bereich des infraroten Lichts aufweist.

Ein photonischer Kristall ist quasi das optische Pendant zum Halbleiter: Während ein Halbleiter für Ladungsträger bestimmter Energien isolierend wirkt, sperrt ein photonischer Kristall das Licht gewisser Wellenlängen aus. Das gelingt durch periodische Modulationen des Brechungsindexes eines Materials, die in etwa der Wellenlänge des auszusortierenden Lichts liegen. Eine so genannte optische Bandlücke entsteht, die Licht dieses Wellenlängenbereichs ausschließt.

Bislang entstanden solche photonischen Kristalle vor allem durch besondere Ätztechniken in Halbleitern oder durch Selbstorganisation einiger weniger Materialien. Dabei deuteten Berechnungen bereits an, dass derartige Strukturen aus Metall eine besonders große Bandlücke aufweisen. Nur herstellen konnte diese noch niemand.

Dem Team um Fleming gelang dies nun, indem sie zunächst einen herkömmlichen photonischen Kristall aus Siliciumoxid herstellten. In das Netzwerk aus Poren schieden sie dann auf chemischem Wege Wolfram ab. Anschließend ätzten sie das Oxid weg, sodass ein Gitter aus rechteckigen, 1,2 Mikrometer dicken Wolfram-Stäbchen übrig blieb. Die Stäbchen lagen dabei parallel im Abstand von rund 4,2 Mikrometer zueinander in Lagen, wobei die Stäbchen übereinander gestapelter Lagen genau senkrecht zueinander ruhten.

Versuche an dieser dreidimensionalen Struktur ergaben tatsächlich eine Bandlücke zwischen 8 und 20 Mikrometern Wellenlänge – also im infraroten Bereich. In bestimmten Richtungen reichte die Lücke auch bis 6 Mikrometer hinab. Erstaunlich und bislang unerklärlich ist jedoch, dass ausgerechnet bei 5 Mikrometern der Durchlass an Photonen besonders hoch war, jedenfalls höher als berechnet. Im Gegenzug war die Absorption im Bereich von 6 Mikrometern, also direkt an der Bandlücke, viel größer als erwartet.

Das, so argwöhnen die Forscher, ließe sich aber vielleicht nutzen. So könnte man die Energie von Photonen, die ansonsten im verbotenen Energieband entstünden, quasi recyclen, ansparen und schließlich in Form von Photonen sichtbarer Wellenlänge freisetzen. So würde ein Glühfaden, der aus dem richtigen photonischen Kristall besteht, infrarotes zugunsten von sichtbarem Licht eliminieren. Allerdings müsste dazu der Abstand der Wolframstäbchen nochmal um eine Größenordnung reduziert werden, sodass die Bandlücke in die Regionen des nahen Infrarot rutscht. Immerhin, dies könnte den Wirkungsgrad von Glühlampen auf bis zu 60 Prozent anheben – ein durchaus lohnendes Ziel.