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Credit: @tsarcyanide/MIPT Press Office
Forscher vom Moskauer Institut für Physik und Technologie und vom Physischen Lebedev-Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften haben den Prototyp einer Kathodolumineszenz-Leuchte für allgemeine Beleuchtung entwickelt und getestet. Die neue Leuchte, die auf Grundlage des Phänomens der Feldemission funktioniert, ist verlässlicher, haltbarer und überzeugt mit einer stärkeren Leuchtkraft als sämtliche vergleichbare Produkte auf dem internationalen Markt. Der Bericht zu dieser Entwicklung ist im Journal of Vacuum Science & Technology B nachzulesen.
Trotz der wachsenden Beliebtheit von LED-Leuchten sind sie nicht die einige saubere und stromsparende Alternative zu Glühlampen. Seit den 1980-er Jahren beschäftigen sich Ingenieure auf der ganzen Welt mit den sogenannten Kathodolumineszenz-Leuchten als eine Alternative für allgemeine Beleuchtungszwecke.
Wie in Abbildung 1 dargestellt funktioniert eine Leuchte dieser Art nach dem selbem Prinzip, mit dem alte Fernsehgeräte funktionierten, bei denen Kathodenstrahlröhren verwendet wurden. Eine negativ geladene Elektrode, oder Kathode, an einem Ende einer Vakuumröhre dient als Elektronenkanone. Ein potenzieller Unterschied von bis zu 10 Kilovolt beschleunigt die abgegebenen Elektronen in Richtung einer flachen, positiv geladenen Elektrode mit Phosphorbeschichtung - der Anode - am anderen Ende der Röhren. Durch diese Elektronenbombardierung wird Licht erzeugt.
Kathodolumineszenz-Leuchten bieten den Vorteil, dass sie Licht mit nahezu jeder beliebigen Wellenlänge abgeben können, von Rot bis Ultraviolett, abhängig vom verwendeten fluoreszierenden Material.
Angesichts des kürzlich erlassenen Verbots von Haushaltsgeräten mit Quecksilber unter dem Minamata-Übereinkommen, einem völkerrechtlichen Vertrag der Vereinten Nationen, der von 128 Ländern unterzeichnet wurde und im August 2017 in Kraft trat, könnte der Zeitpunkt der Entwicklung neuer ultravioletter Leuchtbirnen nicht besser sein. Neben anderen Produkten umfasst das Verbot auch UV-Leuchtstoffröhren, die bisher häufig für die Beleuchtung von Gewächshäusern und andere Zwecke eingesetzt wurden. Kathodolumineszenz-UV-Leuchtbirnen enthalten kein Quecksilber und sind im Allgemeinen sauberer bei der Wartung und Instandhaltung sowie bei der Entsorgung.
In einigen Branchen, in denen Quecksilberleuchten beispielsweise zur Wasserbehandlung und Luftdesinfektion eingesetzt werden, wird deren Ausmusterung nur sehr langsam und widerwillig vor sich gehen" erklärte Mikhail Danilkin vom Physischen Lebedev-Institut, RAS. Doch in der Medizin sieht es anders aus, da immer noch keine Lösung für das Problem der Entsorgung von Quecksilberleuchten in einzelnen medizinischen Einrichtungen gefunden wurde, während die Umweltschutzbestimmungen immer strenger werden. Kathodolumineszenz-Lampen können zur Dekontaminierung von OP-Sälen, zur UV-Bestrahlung von Hals und Mandeln sowie zur Aushärtung von Zahnfüllungen verwendet werden."
Ein weiterer wichtiger Vorteil der neuen Leuchte gegenüber LEDs und Glühlampen ist, dass sie nicht von den sogenannten kritischen Rohstoffen abhängig ist. Zu diesen gehören Gallium, Indium und einige Seltenerdelemente (SEE). Diese Materialien werden knapper, und doch sind sie im Gesundheitswesen, der Verteidigungsindustrie, der Luftfahrt und in anderen Branchen von wesentlicher Bedeutung und unersetzlich. Die Europäische Kommission stuft diese Materialien als von strategischer Bedeutung für die europäische Wirtschaft ein.
In den Vereinigten Staaten wurden Versuche der Massenproduktion gewerblicher Kathodolumineszenz-Leuchtbirnen unternommen, doch die Verbraucher nahmen das Produkt nicht an. Dies lag hauptsächlich daran, dass die Birnen zu unhandlich waren und dass es mehrere Sekunden lang dauerte, die Kathode auf die Betriebstemperatur aufzuwärmen. In ähnlicher Weise zeigten auch die alten Fernsehgeräte das Bild erst nach einer kurzen Verzögerung an.
Einige Kathoden benötigen jedoch keine Aufwärmzeit. Diese werden als Feldemissionskathoden bezeichnet, da sie auf der Grundlage der Feldemission funktionieren. Dazu wird eine kalte Kathode eingesetzt, die allein unter einem elektrostatischen Feld (aufgrund des Tunneleffekts) Elektronen abgibt.
Allerdings erwies sich die Herausforderung, eine effiziente, technologisch fortgeschrittene Kathode mit langer Lebensdauer zu entwickeln, welche eine Massenproduktion und den Verkauf zu einem günstigen Preis ermöglicht, als schwierig. Trotz laufender Bemühungen in Japan und den USA stellt die aktuelle russische Studie den ersten erfolgreichen Versuch dar, dieses Ziel zu erreichen.
Unsere Feldemissionskathode wird aus ganz normalem Kohlenstoff hergestellt", so Professor Evgenii Sheshin, stellvertretender Leiter der Vakuumelektronik bei MIPT, der das Forschungsteam leitete. Doch dieser Kohlenstoff wird nicht einfach als Chemikalie verwendet sondern eher als Struktur. Wir haben einen Weg gefunden, um einen Struktur aus Kohlenstofffasern zu erzeugen, die einer Ionenbombardierung widerstehen kann, einen hohen Emissionsstrom ausgibt und technologisch und günstig produziert werden kann. Diese Technologie ist unser Knowhow, das keinem anderen auf der Welt zur Verfügung steht."
Durch eine spezielle Behandlung des Kohlenstoffs werden zahlreiche Protrusionen im Submikrometerbereich - weniger als ein Millionstel eines Meter groß - an der Spitze der Kathode gebildet (Abbildung 2). So entsteht ein ultrahohes elektrisches Feld an der Spitze, was die Elektronen hinaus in das Vakuum treibt.
Die MIPT-Forschungsgruppe entwickelte auch eine kompakte Stromquelle für ihre Kathodolumineszenz-Leuchte, welche ausreichend Kilovolt für eine erfolgreiche Feld-Elektronenemission bereitstellt. Die Quelle wurde um die Leuchtbirne aus Glas herum montiert (Abbildung 3), nahezu ohne Effekt auf die Größe.
Der Bericht beschreibt die Tests des Prototyps und die technischen Eigenschaften der Leuchte. Diese Daten weisen darauf hin, dass bei einer Massenproduktion diese neue Kathodolumineszenz-Leuchte mit den günstigen Leuchten mit lichtausstrahlenden Dioden absolut mithalten kann. Die neue Leuchte wäre auch eine wertvolle Unterstützung bei der Ausmusterung der gefährlichen Glühlampen mit Quecksilber, die noch immer in vielen Haushalten verwendet werden.
Im Gegensatz zur LED-Leuchte braucht unsere Leuchte höhere Temperaturen nicht zu fürchten. Sie können sie auch in Umständen nutzen, in denen Dioden schnell aufgeben, etwa in Decken-Spotlights, bei denen keine ausreichende Kühlung vorhanden ist", erläuterte der Co-Autor der Studie, Dmitry Ozol aus der Abteilung für Vakuumelektronik bei MIPT.
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