Blog

Jul 30, 2023

Wird leuchten

Substanzen, die dauerhaft lumineszieren, könnten in Straßen, Gehwegen und Gebäuden verwendet werden. Kurt Kleiner, Knowable Um das Jahr 1603 versuchte es der italienische Schuhmacher und Amateuralchemist Vincenzo Casciarolo

Substanzen, die dauerhaft lumineszieren, könnten in Straßen, Gehwegen und Gebäuden verwendet werden

Kurt Kleiner, Knowable

Um das Jahr 1603 versuchte der italienische Schuhmacher und Amateuralchemist Vincenzo Casciarolo, einen besonders dichten Stein zu schmelzen, den er an den Hängen des Monte Paderno in der Nähe von Bologna gefunden hatte. Es entstanden weder Gold, Silber noch andere Edelmetalle, wie er gehofft hatte. Doch nachdem der Stein abgekühlt war, entdeckte Casciarolo etwas Interessantes: Wenn er das Material dem Sonnenlicht aussetzte und es dann in einen dunklen Raum brachte, würde der Stein leuchten.

Dieser „Bologna-Stein“ war der erste künstlich hergestellte, dauerhaft leuchtende Stoff. Viele weitere sollten folgen – und heute werden langlebige Leuchtstoffe für Dekorationen, Notbeleuchtung, Fahrbahnmarkierungen und medizinische Bildgebung verwendet.

Eines Tages könnten sie uns leuchtende Städte bescheren, die kühler bleiben und weniger Strom verbrauchen.

Eine neue Generation lumineszierender Materialien hat das Potenzial, Städte zu kühlen, indem sie Licht wieder abgibt, das sonst in Wärme umgewandelt würde. Sie könnten auch den Energieverbrauch senken, da leuchtende Gehwege, leuchtende Straßenmarkierungen oder sogar leuchtende Gebäude einen Teil der Straßenbeleuchtung ersetzen könnten. Einige Städte in Europa haben bereits leuchtende Fahrradwege eingerichtet, und einige Forscher haben die Verwendung leuchtender Farbe für Straßenmarkierungen untersucht.

„Es ist besser für die Umwelt“, sagt Paul Berdahl, ein Umweltphysiker, der jetzt im Ruhestand am Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Kalifornien, tätig ist. „Wenn die Technologie verbessert werden kann, können wir weniger Energie verbrauchen. … Es ist eine lohnende Sache.“

Der Bologna-Stein, eine Form des Minerals Baryt, faszinierte damals die Naturphilosophen, war aber nie besonders nützlich. Doch in den 1990er Jahren entwickelten Chemiker neue Arten langlebiger photolumineszierender Materialien wie Strontiumaluminat, die nach Lichteinwirkung noch stundenlang ein starkes Leuchten aufrechterhielten. Die meisten dieser neuen Materialien strahlen blau oder grün, einige leuchten jedoch auch gelb, rot oder orange.

Solche photolumineszierenden Materialien funktionieren, indem sie die Energie eines Photons „einfangen“ und diese Energie dann als Licht niedrigerer Wellenlänge wieder abgeben. Manchmal wird das Licht sofort abgestrahlt, beispielsweise bei einer Leuchtstofflampe. Andere Materialien, die als dauerhaft lumineszierend bezeichnet werden, speichern die Energie länger und geben sie langsamer ab.

Diese Materialien, die stundenlang stark leuchten, eröffnen Möglichkeiten, wie zum Beispiel „im Dunkeln leuchtende“ Städte, die durch leuchtende Gehwege und Gebäude beleuchtet werden. Da 19 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs auf Beleuchtung entfallen und in Europa etwa 1,6 Prozent speziell auf die Straßenbeleuchtung entfallen, sind die potenziellen Energieeinsparungen groß, schreiben die Bauingenieurin Anna Laura Pisello und ihre Kollegen im Annual Review of Materials Research 2021.

Ein Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass die meisten Leuchtstoffe nicht die ganze Nacht über leuchten. Bessere Materialien könnten zur Lösung dieses Problems beitragen, sagt Pisello von der Universität Perugia, der sich mit energieeffizienten Baumaterialien befasst. In der Zwischenzeit könnten bestehende Materialien mit elektrischer Beleuchtung kombiniert werden, die lange genug angeht, um die Straßenmarkierungen wieder aufzuladen, bevor sie sich wieder ausschaltet.

Leuchtfarbe könnte auch für die Beleuchtung des Außenbereichs sorgen. Pisellos Labor entwickelte eine solche im Dunkeln leuchtende Farbe und simulierte in einem Bericht aus dem Jahr 2019, was passieren würde, wenn sie damit einen öffentlichen Weg in der Nähe eines Bahnhofs streichen würden. Durch das Leuchten während der ganzen Nacht würde die Farbe den Energiebedarf für die Beleuchtung in der unmittelbaren Umgebung um etwa 27 Prozent senken, fanden die Wissenschaftler heraus.

Wenn dies die Sorge hervorruft, dass ganze Städte die ganze Nacht über grell leuchten und die schädliche Lichtverschmutzung noch verstärkt, hält das Pisello für unwahrscheinlich. Lumineszierende Materialien würden die bestehende Beleuchtung wahrscheinlich nur ersetzen, nicht ergänzen. Die Farbe der leuchtenden Materialien könnte so gewählt werden, dass die blauen Frequenzen vermieden werden, die sich als besonders schädlich für Wildtiere erwiesen haben.

Lumineszierende Materialien könnten auch dabei helfen, den sogenannten städtischen Wärmeinseleffekt zu bekämpfen. Dächer und Gehwege absorbieren Sonnenenergie und geben sie als Wärme ab, wodurch die Sommertemperaturen in der Stadt um durchschnittlich 7,7 Grad Celsius höher sind als im Umland. Die hohen Temperaturen stellen ein potenzielles Gesundheitsrisiko dar und führen zudem dazu, dass mehr Energie für die Kühlung von Gebäuden aufgewendet wird.

Eine zunehmend verbreitete Lösung besteht darin, „kühle“ Materialien zu verwenden, die Licht reflektieren, wie zum Beispiel weiße Farbe und hellen Asphalt. Es zeigt sich, dass die Zugabe von Leuchtstoffen sogar noch mehr helfen kann.

Im Lawrence Berkeley Lab experimentierten Berdahl und sein Team mit synthetischem Rubin, einem Material, das im Sonnenlicht leuchtet, um farbige Beschichtungen herzustellen, die kühl bleiben. In einem frühen Experiment berichteten sie, dass eine rubinrot pigmentierte Oberfläche in der Sonne kühler blieb als ein ähnlich gefärbtes Material ohne das spezielle Pigment.

Pisellos Labor ging noch einen Schritt weiter und fügte dem Beton mehrere dauerhaft leuchtende Materialien hinzu – solche, die Lichtenergie speicherten und langsam wieder abgaben. Im Vergleich zu nicht leuchtenden Oberflächen derselben Farbe senkten die besten von ihnen die Umgebungslufttemperatur an sonnigen Tagen um bis zu 3,3 °C.

„Man kann [eine Oberfläche] so reflektierend wie möglich machen. Aber können Sie darüber hinausgehen? Die Idee ist, dass man vielleicht noch ein wenig darüber hinausgehen kann, indem man anhaltende Lumineszenz als eine weitere Möglichkeit zur Energieübertragung nutzt … Das ist interessant“, sagt Patrick E. Phelan, Maschinenbauingenieur an der Arizona State University, der eine Arbeit darüber mitverfasst hat der städtische Wärmeinseleffekt im Annual Review of Environment and Resources.

Es sind 250 Leuchtstoffe bekannt, von denen viele noch nicht für praktische Anwendungen untersucht wurden. Laut Pisello besteht das Potenzial für leuchtende Farben und Gehwege, die länger halten und in mehr Farben heller leuchten.

„Kurzfristig besteht die beste und einfachste Lösung darin, das zu verbessern, was wir bereits haben“, sagt sie. Dazu gehört, Materialien so zu optimieren, dass sie länger, stärker oder in anderen Farben Licht abgeben, und sicherzustellen, dass sie in realen Umgebungen weiterhin funktionieren.

Längerfristig könnten neue Klassen technischer Materialien sogar noch besser funktionieren, fügt sie hinzu. Man könnte zum Beispiel auf „Quantenpunkte“ zurückgreifen – winzige halbleitende Partikel, die man zum Leuchten bringen kann und die bereits in der biologischen Bildgebung eingesetzt werden – oder auf Perowskite, Materialien, die in Solarzellen verwendet werden und deren Lumineszenzeigenschaften ebenfalls untersucht werden.

Hol dir das neusteWissenschaftGeschichten in Ihrem Posteingang.