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Forschung:Es werde Licht

Die Leuchtstoffe erzeugen auch warm-weißes Licht und verfügen laut Wolfgang Schnick über eine exzellente Farbwiedergabe-Qualität.

(Foto: Robert Haas)

Wolfgang Schnick entwickelt mit seinem Forschungsteam an der LMU neuartige Leuchtstoffe für LED-Lampen. Auf der Suche nach effizienten Leuchtdioden herrscht in den Chemielaboren derzeit Goldgräberstimmung

Täglich trifft Wolfgang Schnick, 57, auf seine eigene Erfindung: In der Schreibtischlampe, im Blinker seines Autos oder in seinem Smartphone spenden LED-Lampen Licht, an deren Entwicklung der Inhaber des Lehrstuhls für Anorganische Festkörperchemie an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) mit seinem Team maßgeblich beteiligt war. "Wir sind stolz darauf, dass sich etwas, das aus unseren Laboren stammt, inzwischen weltweit verbreitet", sagt Schnick.

Moderne LED-Lampen basieren auf blauen Leuchtdioden, für deren Entwicklung drei japanische Wissenschaftler 2014 den Nobelpreis für Physik bekommen haben. Zur Umwandlung des einfarbig blauen Lichtes in alle anderen Farben des sichtbaren Spektrums werden Hochleistungsleuchtstoffe benötigt. "Die besten kommen aus unserem Labor", sagt Schnick. Diese Leuchtstoffe lösen das Problem der früheren LED-Lampen. Sie spendeten nur kalt-weißes Licht, wie es etwa in Scheinwerfern eingesetzt wird. Für eine gemütliche Beleuchtung des Wohnzimmers waren sie ungeeignet. Die neuen Leuchtstoffe erzeugen nun auch warm-weißes Licht und verfügen laut dem Münchner Professor über eine "exzellente Farbwiedergabe-Qualität".

"Wir erschaffen hier etwas revolutionär Neues, indem wir völlig neuartige Zusammensetzungen erproben, die es so auf der Welt noch nicht gegeben hat", erklärt er. So gelinge es, immer wieder neue Materialien herzustellen. Dabei seien die schönsten Entdeckungen die "nicht geplanten". Eine solche Entdeckung machte der Chemiker bereits zum ersten Mal 1997 mit seinem damaligen Doktoranden, Hubert Huppertz, der heute Chemie-Professor an der Universität Innsbruck ist. Huppertz war auf die Idee gekommen, Strontium in seinen Verbindungen durch Europium, ein Element der Seltenen Erden, zu ersetzen. Die Forscher füllten damals eine kleine Menge in einen Tiegel und erhitzten das Gemenge auf 1200 Grad. Was sie einen Tag später erblickten, fasziniert Schnick heute noch. Das Pulver war nicht mehr von blasser, grau-weißer Farbe wie zuvor, sondern strahlte orange. "Sehen sie mal, wie intensiv das leuchtet, wie ein Textmarker", sagt Schnick, nachdem er aus einer Vitrine seines Büros am Chemie-Department auf dem Campus Großhadern eine kleine Schale mit dem orange leuchtenden Pulver geholt hat.

Dass sie auf eine "Goldader" gestoßen waren, war den Chemikern zunächst nicht bewusst. Sie glaubten, einen interessanten Farbstoff gefunden zu haben. Doch der Leuchtstoff hatte andere, wertvollere Qualitäten. Werden blaue LEDs mit dem neuen orangenen und einem grün-gelben Pulver beschichtet, entsteht warm-weißes Licht.

Seit 2000 besteht eine enge Kooperation mit einem der großen Leuchtmittelhersteller. Weitere acht Jahre Forschung mit der Industrie waren nötig, bis 2008 die ersten LEDs mit Europium-dotierten Nitriden auf den Markt kamen. "Damit konnten wir schönes warm-weißes Licht erzeugen, haben eine hervorragende Farbwiedergabequalität erreicht und viel Energie eingespart", erläutert Schnick. Nach dem Chemiestudium in Hannover hat er am Max-Planck-Institut in Stuttgart sowie an den Universitäten von Bonn und Bayreuth geforscht und ist seit 1998 Lehrstuhlinhaber der LMU.

"Das stammt aus unserer Küche", sagen der Professor und seine Mitarbeiter, wenn sie von der Arbeit in den Laboren des Chemie-Departments sprechen. Wie Köche brauchen auch Schnick und seine Kollegen für den Erfolg Kreativität, Intuition, eine große Portion Glück, Geduld und Frustrationstoleranz. Ihre Beharrlichkeit zahlt sich für die Festkörperchemiker aus, wenn sie auf neue, reizvolle Rezepte stoßen für Materialien, die es so bislang noch nicht gegeben hat.

Ein solcher Durchbruch ist dem Forscherteam 2012 erneut gelungen. Damals stellten sie eine Stickstoffverbindung mit Europium her und ersetzten zusätzlich Silizium durch Aluminium. Heraus kam ein neuer roter Leuchtstoff, der LEDs noch einmal um bis zu 30 Prozent effizienter machen kann. "Außerdem können wir nun sowohl warmes als auch kaltes LED-Licht mit hervorragender Farbwiedergabequalität produzieren", sagt Schnick. Sein Team habe einen Farbwiedergabeindex-Wert von 93 erreicht, der dem optimalen Wert des Sonnenlichts (100) "sehr nahe kommt". Früher habe der Farbwiedergabeindex, der auf LED-Packungen mit der Abkürzung CRI oder RA angegeben wird, häufig nur bei etwa 80 gelegen. Der neue rote Leuchtstoff ist bereits patentiert und ergänzt die Sammlung von mehr als 20 Patenten, die Schnick mit der LMU und dem industriellen Partner besitzt. Seine Kooperation spült zudem "erhebliche Mengen Geld" in die Kassen der LMU.

Das Geschäft mit LEDs boomt auch in diesem Jahr, das die Vereinten Nationen (UN) zum "Internationalen Jahr des Lichts und der lichtbasierten Technologien" ausgerufen haben. Um das Wachstumspotenzial der kommenden Jahre zu verdeutlichen, zitiert Schnick eine Prognose von McKinsey. Danach wird der Leuchtmittel-Marktanteil von LED-Produkten im Jahr 2016 bei 45 Prozent und 2020 sogar schon bei 70 Prozent liegen.

Kein Wunder, dass auf der Jagd nach effizienten, hochwertigen LEDs auch in Chemielaboren eine gewisse Goldgräberstimmung herrscht. Schnick ist sich sicher, dass seine Arbeitsgruppe "bei den Leuchtstoffen weltweit eine der erfolgreichsten ist". Dennoch: Der Markt ist umkämpft. "Bis jetzt halten wir den Vorsprung, aber wir müssen immer neue Ergebnisse liefern, um nicht eingeholt zu werden", sagt Schnick, der bereits 1997 die höchste deutsche Auszeichnung für Wissenschaftler, den Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bekommen hat. Einen "gewissen Erfolgsdruck" spürt auch er.

Schnicks Liste der Vorteile von LEDs ist lang: Diese verbrauchten 80 Prozent weniger Energie als Glühlampen, die aus einem Watt eine maximale Helligkeit von 15 Lumen erzeugten, während moderne LEDs es inzwischen auf mehr als 200 Lumen brächten. Mit einer vollständigen Umstellung auf die lichtemittierenden Dioden könnte weltweit bis zu 16 Prozent Strom gespart werden. In Deutschland entspräche das der Produktion aller im Jahr 2012 am Netz befindlichen Atomkraftwerke. Kann aber eine komplette Umstellung auf LEDs mit Europium gelingen? Schließlich zählt Europium zu den seltensten der vierzehn Seltenen Erden dieser Welt. "Kein Problem", sagt Schnick. Für LEDs werde bis um den Faktor 1700 weniger Europium verwendet als für die alten Energiesparlampen oder Leuchtstoffröhren. Im Unterschied zu Energiesparlampen, die Quecksilber enthalten, seien LEDs zudem ökologisch völlig unbedenklich.

Und der Preis? Neben der Energieersparnis führt Schnick hier die lange Lebensdauer guter LEDs ins Feld, die bei 20 000 bis 50 000 Stunden liege, wohingegen eine Glühbirne nur rund 1000 Stunden Licht spende. Außerdem sieht er im Moment einen "dramatischen Preisverfall bei LEDs".

Im Büro und den Laboren des Chemikers spenden konventionelle Lichtquellen Helligkeit. "Es gab noch keine universitätsweite Umrüstung", sagt der Forscher. Zu Hause habe er aber "fast vollständig auf LEDs umgerüstet". Und zwar an seinen beiden Wohnorten. Während der Woche lebt Schnick in Gauting. Am Wochenende zieht es ihn nach Linz, wo seine Frau als Kinderärztin arbeitet. "Das klappt seit mehr als 20 Jahren ganz hervorragend", erzählt Schnick. Er genieße den "Tapetenwechsel und das Gefühl, die Arbeit mal hinter sich zu lassen".

Blaues Shirt, Jeans, dunkle Sportschuhe, flotter Gang: Schnick ist ein sportlicher Typ, er joggt seit Jahren an der Würm. Wenn noch Zeit bleibt, spielt der Hobbymusiker Gitarre. Nicht mehr in einer Band wie früher, aber dennoch mit Begeisterung. Schließlich hat er sich gerade erst seine achte Gitarre gekauft.

Der Chemiker präsentiert sich im Interview fröhlich und gut gelaunt. Auch in der Forschung ist ihm neben der geplanten, durchdachten Herangehensweise das "spielerische Moment", die "exploratorische Chemie" wichtig, bei der Materialien synthetisiert werden nach der Devise "mal schauen, was passiert" - aber "natürlich unter Beachtung der Spielregeln", fügt Schnick an.

Originalität und unkonventionelles Denken wünscht er sich von seinen Mitarbeitern. Diese sollten breit gestreute Interessen besitzen. Mit seinem Team will sich der Professor weiter auf die Suche nach noch effizienteren LEDs und neuen Materialien machen. "Es gibt mehr als 100 chemische Elemente, die Anzahl an möglichen Verbindungen ist größer als die Gesamtzahl der Elementarteilchen im Universum", erklärt der Forscher. Seiner Entdeckungsreise sind also kaum Grenzen gesetzt.

© SZ vom 29.05.2015
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