Interpretation des Nobelpreises für Physik 2014: Eine Lichtrevolution im 21. Jahrhundert

Am 7. Oktober 2014, Pekinger Zeit, wurde der Nobelpreis für Physik bekannt gegeben. Zwei japanische Wissenschaftler und ein japanisch-amerikanischer Wissenschaftler teilten sich den Nobelpreis für Physik 2014. Es handelt sich um Isamu Akasaki und Hiroshi Amano, Wissenschaftler der Universität Nagoya in Japan, und Shuji Nakamura, ein japanisch-amerikanischer Wissenschaftler, der bei Nichia Chemicals und der University of California, Santa Barbara, beschäftigt war.

Dass der diesjährige Nobelpreis für Physik im Zusammenhang mit Leuchtdioden steht, lässt sich am Beispiel der Firma Nichia Chemical erkennen. Nichia Chemical ist ein Unternehmen mit Sitz in Tokushima City im Nordosten der japanischen Region Shikoku. Es entwickelt hauptsächlich neue hocheffiziente und energiesparende LED-Lampen. Die Forschungsrichtung dieser drei Wissenschaftler liegt auf blauen Leuchtdioden, mit dem Ziel, der gesamten Menschheit die Nutzung energiesparenderer LED-Lampen zu ermöglichen.

Im Vergleich zu herkömmlichen künstlichen Lichtquellen benötigen LED-Leuchten weniger Energie, um den gleichen Effekt zu erzielen. Hocheffiziente und energiesparende LED-Leuchten helfen, die Ressourcen der Erde zu schonen.

Blaue LEDs sind eine umweltfreundliche Lichtquelle. Japanische Wissenschaftler glauben, dass das 21. Jahrhundert der Welt der LED-Leuchten gehört, während das 20. Jahrhundert den Glühlampen gehörte. Im letzten halben Jahrhundert wurden rote und grüne LEDs in Industrieländern und Regionen wie Nordamerika häufig verwendet, blaue LEDs sind jedoch eine wirklich revolutionäre Beleuchtungstechnologie.

Seit Jahrzehnten arbeiten Fachleute auf der ganzen Welt an der Entwicklung blauer Leuchtdioden. Obwohl diese Forschungsrichtung mit hohen Risiken verbunden ist, ist auch der Nutzen enorm. Wir können die Lichttechnologie auf ein neues Niveau heben. Daher ist es nur natürlich, den Nobelpreis für Physik an drei Wissenschaftler zu verleihen, die auf diesem Gebiet herausragende Beiträge geleistet haben. Die Träger des Alfred-Nobel-Preises sollten den Fortschritt der menschlichen Zivilisation anführen. Diese Technologie ermöglicht uns effizientere und langlebigere Lichtquellen.

Das Funktionsprinzip von Leuchtdioden. Oben links ist das Funktionsprinzip der LED dargestellt, und unten ist das Funktionsprinzip der blauen LED dargestellt.

Leuchtdioden bestehen aus mehreren Schichten Halbleitermaterial. Gemäß dem Funktionsprinzip von LED-Lampen wird Elektrizität in Photonen umgewandelt, was einer Verbesserung der Beleuchtungseffizienz im Vergleich zu anderen Lichtquellen entspricht. Herkömmliche Beleuchtungssysteme wie Glühlampen wandeln den größten Teil der elektrischen Energie in Wärme und nur einen kleinen Teil in Photonen um. Offensichtlich ist die Umwandlungseffizienz solcher Beleuchtungssysteme sehr gering.

Das Funktionsprinzip von Glühlampen und Halogenlampen basiert auf elektrischer Erwärmung. Wenn elektrischer Strom durch den Metalldraht fließt, bringt er ihn zum Glühen und bei der elektrischen Heizarbeit wird viel Energie verschwendet. Das Prinzip von Leuchtstofflampen unterscheidet sich von dem von Glühlampen und Halogenlampen. Sie erzeugen Licht und Wärme durch Gasentladung und ihr Energieverlust ist geringer als bei Glühlampen. Daher werden sie auch als Energiesparlampen bezeichnet. Seit dem Aufkommen der LED-Lampen scheinen die „Energiesparlampen“ jedoch nicht mehr zu den Leuchtstofflampen zu gehören.

Die neue LED-Lampentechnologie benötigt weniger Energie und setzt eine leistungsstärkere Lichtquelle frei, zumindest wird sich die Umwandlungsrate deutlich verbessern. Fast ein Viertel des weltweiten Stromverbrauchs wird für die Beleuchtung verwendet. Durch den Einsatz ausschließlich hocheffizienter und energiesparender LED-Lampen können die Ressourcen der Erde geschont werden und die wirtschaftlichen Vorteile sind deutlich spürbar. LED-Lampen sind nicht nur langlebiger, sondern auch effizienter. Normalerweise beträgt die Lebensdauer von Glühlampen 1.000 Stunden. Nach dieser Zeit ist der Glühfaden durchgebrannt und die Leuchtdauer von Leuchtstofflampen beträgt 10.000 Stunden, also das Zehnfache der Leuchtdauer von Glühlampen. Dann haben LED-Lampen eine bessere Lebensdauer und können 100.000 Stunden erreichen, wodurch der Materialverlust erheblich reduziert wird.

Die LED-Technologie ist uns nicht fremd. Es ist in modernen elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen und Computern zu finden. Rote Leuchtdioden wurden Ende der 1950er Jahre entwickelt und werden in Digitaluhren, Taschenrechnern und anderen Geräten verwendet. Viele Labore haben versucht, blaue Dioden mit kürzeren Wellenlängen zu entwickeln, aber alle waren nicht erfolgreich. Die Forschungsrichtung von Isamu Akasaki und Hiroshi Amano besteht in der Entwicklung von Materialien für LED-Beleuchtungssysteme. Durch Tausende von Experimenten fanden sie heraus, dass Galliumnitrid bei blauen LED-Lichtquellen sehr gute Ergebnisse erzielt und zur Herstellung blauer LED-Lichtquellen verwendet werden kann. Bisher war es niemandem gelungen, aus Galliumnitridkristallen hochwertige LED-Lichtquellen herzustellen. Auch Shuji Nakamura von Nichia Chemical entschied sich für Galliumnitridkristalle als Ersatz für Zinkselenid als Grundmaterial für blaue LED-Lichtquellen.

Im Jahr 1986 schlossen Isamu Akasaki und Hiroshi Amano erstmals die Forschung und Entwicklung hochwertiger Galliumnitridkristalle ab. Die Herstellungsmethode bestand darin, Aluminiumnitrid auf ein Saphirsubstrat aufzutragen, um hochwertiges Galliumnitrid zu erhalten. Einige Jahre später gelang ihnen ein weiterer Durchbruch in der Forschung und Entwicklung der p-Typ-Schicht von LED-Lichtquellen. Durch Experimente mit einem Rasterelektronenmikroskop stellten sie fest, dass dieses Material eine bessere Lichtausbeute hatte. Bis 1992 gelang es ihnen, Dioden herzustellen, die blendend blaues Licht ausstrahlten. Auch Shuji Nakamura begann seine Forschungs- und Entwicklungstätigkeit etwa 1988 und produzierte erfolgreich hochwertiges Galliumnitrid. In den 1990er Jahren verbesserten die beiden Forschungsteams die Lichteffizienz blauer LED-Lichtquellen weiter und erfanden einen blauen Laser, um einen schärferen Lichtstrahl zu erzeugen. Aufgrund der kurzen Wellenlänge des blauen Lichts können auf derselben Fläche mehr Informationen gespeichert werden, wodurch leistungsfähigere Laserdrucker, LCD-Fernseher, Computer, Mobiltelefone usw. möglich werden.

Es ist abzusehen, dass die Weiterentwicklung der blauen LED-Technologie im 21. Jahrhundert eine Revolution im Bereich der Beleuchtung darstellen wird. Mit dieser Technologie werden wir in Zukunft Lichtquellen erzeugen, die dem natürlichen Licht nahe kommen und so die Regulierung unserer biologischen Uhr fördern. Daher kann diese Technologie für den Gewächshausanbau und sogar für zukünftige Siedlungen auf dem Mars eingesetzt werden. Künstliche Lichtquellen, die natürliches Licht simulieren, können Astronauten ermöglichen, tiefer in den Weltraum vorzudringen. Für die Erdbevölkerung können günstigere und effizientere LED-Leuchten mehr Menschen mit Licht versorgen, denn immer noch leben 1,5 Milliarden Menschen in Gebieten, die nicht an das Stromnetz angeschlossen sind. Dies zeigt, dass die Forschungsergebnisse dieser drei Wissenschaftler einen enormen Beitrag zur menschlichen Zivilisation geleistet haben.

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