Licht desinfiziert Wasser

Neuartige Leuchtdioden machen Geräte und Flüssigkeiten keimfrei. Neue Leuchtdioden, die mithilfe von UV-Licht Wasser und medizinische Geräte desinfizieren, entwickeln zurzeit Berliner Forscher. Sie sollen schon bald die bisher dafür genutzten giftigen Quecksilberdampflampen ersetzen.

Ultraviolettes Licht kann tödlich sein. Das Bombardement der kurzwelligen und energiereichen Strahlung ruft nicht nur gefährlichen Sonnenbrand hervor und lässt Hautzellen zu Tumoren entarten, sondern es tötet auch unerwünschte Krankheitserreger ab. Daher nutzen Mediziner und Wissenschaftler seit langem Quecksilberdampflampen, die UV-Licht abstrahlen, um Geräte und Wasser keimfrei zu machen. Nur: Quecksilber ist hochgiftig, und solche Lampen haben eine Lebensdauer, die in etwa der einer herkömmlichen Glühbirne entspricht: einige Tausend Stunden. Leuchtdioden dagegen sind vom Material her unschädlich und halten zehn– bis hunderttausend Stunden durch. Außerdem sind sie viel kompakter als die Quecksilberdampflampen.

Blaue Leuchtdioden galten bis vor rund zehn Jahren als Ding der Unmöglichkeit. Es gelang den Forschern und Ingenieuren einfach nicht, entsprechende Halbleiterkristalle herzustellen. Die Forschung daran wurde mit Hochdruck betrieben, denn wer blaues Licht aus Dioden erzeugen konnte, der hatte den Schlüssel zum blauen Laser und zu weißem Licht aus Dioden. Beides ist enorm gewinnträchtig.

Die Laser beruhen auf demselben Prinzip wie Leuchtdioden, nur dass die Lichtstrahlen beim Laser alle in eine Richtung gehen. Mit blauem Laserlicht lassen sich weitaus kleinere Strukturen auf lichtempfindlichem Material schreiben als mit dem langwelligeren roten oder infraroten Licht – DVDs und weitere Datenträger können viel dichter als bisher beschrieben werden.

Und dann gibt es das „noch blauere“ Licht: die UV-Strahlen, die Wasser desinfizieren. „Schon jetzt sind kompakte und robuste Reinigungsgeräte realisierbar, die bei einer Leistungsaufnahme von zehn Watt drei bis vier Liter Wasser pro Sekunde desinfizieren“, sagt Kneissl. Er beschreibt eine mögliche Anordnung: Hundert Leuchtdioden, die jeweils mit 0,1 Watt strahlen, könnten ringförmig um ein durchsichtiges Stück Wasserleitung angeordnet werden. Öffnet nun jemand den Hahn, so schalten sich automatisch die Dioden an und bestrahlen mit ihrem UV-Licht das durchströmende Wasser. Es kommt keimfrei aus der Leitung.

„Denken Sie an Züge oder Flugzeuge“, sagt Kneissl. „Oder an Länder in heißen Regionen mit schlechter Wasseraufbereitung. Oder an wissenschaftliche Labore und Krankenhäuser, die Reinstwasser brauchen. Ermöglicht hat all das der Durchbruch von japanischen Wissenschaftlern. Ihnen war es gelungen, Galliumnitrid (GaN) so abzuscheiden und gezielt zu „verunreinigen“ (dotieren), dass es blaues Licht aussendet. GaN zählt heute, neben dem allgegenwärtigen Silizium, zu einem der wichtigsten Halbleitermaterialien in der Elektronikindustrie.

Wo liegen die Schwierigkeiten? „Zum einen in der richtigen Dotierung der Halbleiter, zum anderen im Wachstum“, sagt Kneissl. Die Kristalle für Laser und Dioden entstehen in einem Verfahren, das Experten als „Metallorganische Gasphasenepitaxie“ bezeichnen, kurz MOVPE – Metalorganic Vapor Phase Epitaxy. Ausgangsstoffe sind beispielsweise metallorganische Verbindungen wie Trimethylgallium und Ammoniak als Stickstoffquelle. Diese Gase werden über das heiße Substrat – etwa Saphir – geleitet, wo sie sich dann thermisch zersetzen und als GaN abscheiden. So wachsen hauchdünne Schichten, nur wenige Atom lagen übereinander. Galliumnitrid ist tückisch: Es wächst sozusagen nur ungern gleichmäßig und bildet schnell Defekte; Störungen im Kristallgitter, die zu einer drastischen Reduzierung der Lichtemission und Effizienz führen. Kneissl: „Der Trick ist es nun, Epitaxieverfahren zu entwickeln, die es gestatten hochqualitative kristalline Schichten abzuscheiden.“

Quelle: Forschungsverbund Berlin, 21.03.2006

Geonet News vom 27.03.2006