Team 3

Energiesparende Festkörperchemie - neue Materialien beleuchten die Welt

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Die Herausforderung: effizientere Lichtquellen
Im Rahmen der Energiewende werden von Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft große Anstrengungen unternommen, um ressourcenschonende und energieeffiziente Technologien und Prozesse zu entwickeln. Allein für Beleuchtungszwecke werden heute weltweit etwa 20 % der elektrischen Energie aufgewendet. Klassische Glühbirnen wandeln dabei nur einen sehr geringen Anteil der zugeführten Energie in Licht um. Die verbleibenden 90 – 95 % gehen nutzlos als Wärme verloren. Wie zahlreiche andere Staaten hat daher auch die EU gesetzliche Regelungen vorgenommen, um die Produktion und den Vertrieb von Glühlampen weitgehend einzuschränken. Als Alternative werden energieeffizientere Kompaktfluoreszenzlampen (CFL) in vielfältigen Varianten angeboten. Diese haben im Vergleich zu klassischen Glühlampen eine deutlich längere Lebensdauer sowie eine bis zu vierfach höhere Energieeffizienz. Bei Verbrauchern treffen sie aber wegen der als unnatürlich empfundenen Farbwiedergabe sowie wegen ihres ökologisch bedenklichen Quecksilbergehaltes nach wie vor auf Vorbehalte.

Leuchtdioden – die Lichtquellen der Zukunft
Die Zukunft der Licht- und Beleuchtungstechnologie wird daher in modernen Leuchtdioden (LEDs) gesehen. Die auf Halbleitertechnologie beruhenden Bauelemente können allerdings jeweils immer nur eine Lichtfarbe erzeugen. Für allgemeine Beleuchtungszwecke wird jedoch weißes Licht benötigt, das aus den spektralen Grundfarben (rot, grün, blau) besteht. Weißes Licht kann mit blauen Hochleistungs-LEDs, die erst in den 1990er Jahren entwickelt wurden, durch Verwendung entsprechender Leuchtstoffe erzeugt werden. Dabei wird das blaue LED-Licht zu einem Teil in langwelligeres rotes bzw. gelbgrünes Licht umgewandelt. Durch additive Farbmischung entsteht daraus dann weißes Licht in hoher Qualität.

Aus Blau wird weiß – hocheffiziente Leuchtstoffe machen es möglich
Die Beleuchtungsindustrie hatte zuvor bereits eine sehr große Anzahl von Leuchtstoff-Kandidaten erprobt, ohne ihr gewünschtes Anforderungsprofil erfüllt zu sehen. Prof. Schnick und seine Arbeitsgruppe an der LMU München haben eine aus ihrer Grundlagenforschung hervorgegangene, synthetische Materialklasse nutzen und weiterentwickeln können, um LED-Leuchtstoffe mit zuvor unerreichten Eigenschaften zu erschaffen. Erst die kreative synthetische Arbeit der Chemiker in München führte also zu völlig neuartigen Materialien. Diese haben einen revolutionären technologischen Durchbruch für die Nutzung von LED-Leuchtmitteln ermöglicht, da erstmals eine hohe Effizienz bei gleichzeitig hoher Lichtqualität und der geforderten Lebensdauer demonstriert werden konnte.

Von Hochleistungskeramiken abgeschaut
Die neuen LED-Leuchtstoffe basieren auf außerordentlich stabilen synthetischen Netzwerkstrukturen aus den Elementen Silizium und Stickstoff. Als Aktivator werden geringe Mengen des Seltenerd-Elementes Europium eingebaut. Diese neuen maßgeschneiderten Leuchtstoffe weisen also einerseits Ähnlichkeiten zu Mineralen und andererseits zu Hochleistungskeramiken auf der Basis von Siliziumnitrid auf. Das Element Stickstoff bewirkt dabei die hohe Stabilität und Robustheit der Leuchtstoffe. Zudem ist es dafür verantwortlich, dass das blaue Licht der Primär-LEDs in alle anderen Farbkomponenten des sichtbaren Spektrums – insbesondere auch in rote Spektralanteile – umgewandelt werden kann. Dabei werden Energieausbeuten erreicht, die nahe dem theoretischen Maximum liegen. Die verwendeten Rohstoffe sind zudem ökologisch absolut unbedenklich und sind auf der Erde in nahezu unerschöpflicher Menge vorhanden.

Die außerordentlichen Eigenschaften der neuen Materialien waren zunächst ein reiner Zufallserfolg der Grundlagenforschung und wurden in wissenschaftlichen Fachjournalen publiziert. Die Ergebnisse weckten jedoch sofort das Interesse der Beleuchtungsindustrie. So entstand eine enge Kooperation mit der Philips Technologie GmbH in Aachen, wo Dr. Peter Schmidt bereits intensiv auf der Suche nach neuartigen LED-Leuchtstoffen war.

Überlegene Lichtquellen durch neue Materialien
Die daraus resultierende enge Zusammenarbeit der LMU-Chemiker mit Philips führte inzwischen zu mehr als einem Dutzend gemeinsamer Patentanmeldungen und bot erstmals die realistische Perspektive, LED-Technologie zur Allgemeinbeleuchtung einzusetzen. Die Firma Philips hat in den letzten Jahren die Herstellung der von Prof. Schnick entdeckten Leuchtstoffe weiter optimiert und mit großem Aufwand auf einen industriellen Maßstab übertragen. Im Anfangsstadium der Kooperation wurden innovative LED-Produkte überwiegend durch den Technologieschub der an der LMU gefundenen neuartigen Leuchtstoffe möglich. In jüngster Zeit werden nun immer mehr Leuchtstoffe der nächsten Generation gezielt nach den Erfordernissen des Marktes erforscht und entwickelt. Inzwischen bietet Philips unter Verwendung der neuen Materialien eine ganze Bandbreite von LED-Leuchtmitteln an. Darunter sind sogenannte Retrofit-LED-Lampen mit E27-Sockel, die konventionelle Glühlampen ersetzen können. Rein äußerlich sind sie kaum von Glühlampen zu unterscheiden und erzeugen sehr angenehmes, warmweißes Licht mit hervorragender Farbwiedergabe. Die neuen LED-Lichtquellen verbrauchen jedoch 80 % weniger elektrische Energie und haben eine Lebensdauer von mehr als 25.000 Stunden. Das entspricht einer durchschnittlichen Nutzungsdauer von etwa 15 Jahren.

Darüber hinaus wurden auf der Basis der von Schnick entdeckten Materialien die weltweit effizientesten gelb-orangen LED-Lichtquellen von Philips entwickelt und kommerzialisiert, die heute bereits in farbsteuerbaren Lampen, Signalbeleuchtung und Kfz-Richtungsanzeigern (Blinker) eingesetzt werden. Auch die derzeit effizienteste grüne LED basiert auf vollständiger Konversion von blauem LED-Licht unter Einsatz eines von der Forschungsgruppe Schnick entdeckten Materials.

Globale wirtschaftliche Bedeutung
Aktuellen Schätzungen zufolge könnten bis zu 16 % der weltweit verbrauchten elektrischen Energie eingespart werden, wenn herkömmliche Lichtquellen durch LED-Produkte und intelligente Lichtsteuerungslösungen ersetzt würden. Allein in Deutschland werden jährlich etwa 600.000.000.000.000 Wh (= 600 TWh) Strom konsumiert. Durch die komplette Umstellung der Lichterzeugung auf LED-Technologie könnten somit bis zu 96 TWh eingespart werden. Das entspricht in etwa der Produktion aller im Jahr 2012 am Netz befindlichen deutschen Atomkraftwerke. Längerfristige Prognosen (McKinsey, 2012) gehen für das Jahr 2020 von einem Gesamtvolumen des globalen Beleuchtungsmarktes von über 100 Mrd. € aus, wobei die Allgemeinbeleuchtung Erträge von rund 80 Mrd. € generieren wird. Davon werden dann bereits etwa 70 % auf LED-Lösungen entfallen.

Somit werden LED-Lichtquellen aus technologischer, kommerzieller und vor allem ökologischer Sicht als vielversprechendste Innovation im Clean-Tech-Segment angesehen. Leuchtdioden werden demnach die Lichtquellen der Zukunft sein und schon bald konventionelle Glühlampen sowie Kompaktfluoreszenzlampen vollständig vom Markt verdrängen. Ein vergleichbarer Technologiesprung fand am Ende der 1950er Jahre statt, als auf dem Gebiet der elektronischen Bauteile die damals veraltete Röhrentechnik durch Transistoren ersetzt wurde. Prof. Wolfgang Schnick an der LMU München sowie Dr. Peter Schmidt bei Philips in Aachen haben also mit ihrer neuen Materialklasse zu einer revolutionären Umstellung des Beleuchtungsmarktes maßgeblich beigetragen. Inzwischen folgen weltweit die meisten großen Leuchtmittelhersteller diesem Beispiel.

Über die Ludwig-Maximilians-Universität München
Die Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) besitzt eine über 500-jährige Tradition und ist eine der führenden Universitäten in Europa. Als eine der größten deutschen Universitäten bietet sie ein breites Spektrum aller Wissensgebiete - die ideale Basis für hervorragende Forschung und ein anspruchsvolles Lehrangebot. Die LMU kann auf eine herausragende Forschungsbilanz verweisen, die sich u. a. in einem Spitzenplatz bei der Exzellenzinitiative, einem deutschlandweiten Wettbewerb zur Stärkung der universitären Spitzenforschung, dokumentiert. Näheres unter www.lmu.de

Über Philips
Royal Philips (NYSE: PHG, AEX: PHIA), mit Hauptsitz in den Niederlanden, ist ein Unternehmen, das auf Gesundheit und Wohlbefinden ausgerichtet ist. Im Fokus steht die Verbesserung der Lebensqualität der Menschen mit innovativen Lösungen aus den Bereichen Healthcare, Consumer Lifestyle und Lighting. Philips beschäftigt etwa 116.000 Mitarbeiter in mehr als 100 Ländern und erzielte 2012 einen Umsatz von 24,8 Milliarden Euro. Das Unternehmen gehört zu den Marktführern in den Bereichen Kardiologie, Notfallmedizin, Gesundheitsversorgung für zuhause sowie energieeffiziente Lichtlösungen. Mehr über Philips unter: www.philips.de

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Energiesparende Festkörperchemie – neue Materialien beleuchten die Welt“ wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. vorgeschlagen.