Langlebige Glühlampen, das Spiel der Neutronen und Vorbild Natur

Das Forschungszentrum Jülich vergibt jedes Jahr den Günther-Leibfried-Preis an drei seiner Doktoranden, die nicht nur durch ihre Promotionsarbeit auf sich aufmerksam gemacht haben, sondern ihre wissenschaftliche Arbeit auch in einem populärwissenschaftlichen Artikel darstellen konnten.

In diesem Jahr wählte die Jury nach Durchsicht der schriftlichen Arbeiten Torsten Markus, Kay Nünighoff und Stephan Laue als Finalisten aus. Nach ihren Vorträgen und dem Urteil der Jury am Dienstagnachmittag im Großen Hörsaal teilen sie sich nun das Preisgeld: Jeder erhält 2.000 Euro.

Das sprichwörtliche Licht dürfte Torsten Markus in seiner Promotionsarbeit aufgegangen sein. Seit ihrer Erfindung im 19. Jahrhundert ist der Glühlampe nur ein begrenztes Leben beschieden; selbst der Ersatz herkömmlicher Glühdrähte durch Gasgemische vermochte bislang nicht, Glühlampen zu „ewiger“ Lebensdauer zu verhelfen. Die herkömmliche Lampe hat natürlich den einleuchtenden Nachteil, dass ihr Glühdraht nach einer Weile durchbrennt. Dieser Prozess ist auch durch Hinzufügen von Halogenverbindungen nur sehr eingeschränkt aufzuhalten. Diese können zwar am Glaskolben kondensiertes Wolfram vom Glühfaden wiedergewinnen, doch es bleibt dabei: Irgendwann brennt jeder Glühdraht durch. Einen entscheidenden Vorteil haben sogenannte Entladungslampen. Anstelle eines Glühdrahtes werden hier Gasatome durch Einkopplung elektrischer Energie über zwei Elektroden zum Leuchten angeregt. Dies erhöht die Lebensdauer dieser Lampe entscheidend: Während normale Glühlampen bereits nach etwa 1 000 Stunden den Geist aufgeben, schätzt man die Lebenserwartung einer Entladungslampe auf sage und schreibe 16 000 Stunden. Doch warum brennen selbst diese nicht ewig? Hauptgrund, so Markus in seinem Artikel, ist die Tatsache, dass das aus polykristallinem Aluminiumoxid bestehende Entladungsgefäß, in welchem mit der Gasentladung der eigentliche Lichterzeugungsprozess abläuft, mit der Zeit immer dünner wird. Das liegt daran, dass das Wandmaterial Aluminiumoxid von der heißeren zur kälteren Stelle der Gefäßwand wandert. Dies wiederholt sich so lange, bis die Wand schließlich so dünn ist, dass die Lampe versagt. Markus schlug daher vor, die Salzmischung innerhalb der Glühlampe durch einen Zusatz so zu verändern, dass sich Aluminiumoxid darin nicht mehr löst. Ebenfalls könnten durch Veränderung der Form des Lampenbrenners die Temperaturunterschiede an der Wandung reduziert werden, so dass der Transporteffekt des Aluminiumoxids deutlich verlangsamt würde. Dies, so Markus, wäre ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zu einer effizienteren, langlebigeren und umweltschonenderen Lampe.

Die Spallationsneutronenquelle als Billardspiel
Kay Nünighoff setzte sich in seinem Artikel mit der Frage auseinander, inwieweit sich die Produktionsergebnisse von Spallationsneutronenquellen mit Hilfe mathematischer Simulationsprogramme vorhersagen lassen. Zur Veranschaulichung seiner Frage bediente sich Nünighoff einiger Beispiele aus dem Billardspiel, das vom Prinzip her gewisse Parallelen mit der Neutronengewinnung in Spallationsneutronenquellen aufweist. Vereinfacht ausgedrückt werden Protonen, also positiv geladene Teilchen, in einem Beschleuniger auf hohe Geschwindigkeit gebracht und so auf ein Ziel aus Schwermetall – das sogenannte Target – geschossen. Durch das Auftreffen eines Protons auf einen Atomkern des Targets werden Protonen und Neutronen aus dem Kern herausgestoßen – ebenso wie beim Billardspiel die Beschleunigung der Spielkugel durch das Queue zum Aufeinandertreffen mit anderen Kugeln führt, die ihrerseits durch den Aufprall über den Tisch verteilt werden. So getroffene Kugeln können wiederum andere Kugeln treffen und in Bewegung setzen. In der Praxis einer Spallationsneutronenquelle wird dies als „intranukleare Kaskade“ bezeichnet: Ein beschleunigtes Proton trifft auf einen Atomkern des Targets, stößt dabei Protonen und Neutronen aus diesem heraus, die wiederum auf andere Atomkerne treffen können und dabei eine erneute intranukleare Kaskade auslösen können. Nun ist die Frage, ob sich von vornherein mit Genauigkeit bestimmen lässt, wo ein beschleunigtes Proton auf das Target auftreffen wird und wie die dadurch erzeugte intranukleare Kaskade ablaufen wird. Diese Frage ist für die Zukunft der Spallationsneutronenquellen von zentraler Bedeutung, da die korrekte Beschreibung der Neutronenproduktion im Target zur Grundvoraussetzung für die weitere Optimierung derartiger Anlagen wird. Kay Nünighoff zeigte in seinem Artikel, dass Spallationsneutronenquellen mit Hilfe vorhandener Computersimulationsprogramme in der Tat berechnet werden können. Die hier durchgeführten Spielsimulation wiesen im Vergleich zu den tatsächlich im Experiment erreichten Ergebnissen eine Fehlerquote von weniger als zehn Prozent auf.

Die Natur stand Pate
Die Vergabe des Chemie-Nobelpreises 2001 dürfte Stephan Laue vom Institut für Biotechnologie 2 besonders interessiert haben: Die Nobelpreisträger hatten neue chemische Katalysatoren entwickelt, mit denen sie erstmals ein reines Produkt erhielten, welches bislang nur als Mischung erzeugt werden konnte. Mit nur einer kleinen Menge des neuen Reaktionsbeschleunigers können nun große Mengen reiner Produkte erzeugt werden, die zum Beispiel als Arznei-Wirkstoffe eingesetzt werden.

Doch es gibt ein Problem: Die Katalysatoren sind sehr empfindlich und können nach ihrem Einsatz nicht ohne Aktivitätsverlust aus dem Produkt wiedergewonnen werden. Hier setzen die Forschungen von Stephan Laue an: Der Biotechnologe nahm die lebende Zelle genauer unter die Lupe, denn in ihr arbeiten biologische Reaktionsbeschleuniger – Enzyme – mit hoher Geschwindigkeit und ohne vorzeitige „Ermüdungserscheinungen“. Doch was macht die Natur besser? Enzyme, so Laue, können wegen ihrer Größe die Wand biologischer Zellen nicht durchdringen – im Gegensatz zu den viel kleineren Produkten bzw. deren Ausgangsstoffen. Durch die Rückhaltung des Enzyms in der Zelle steht es für viele Produktionszyklen zur Verfügung und arbeitet somit effektiver. Dieses Prinzip setzten die Biotechnologen technisch beim Enzym-Membran-Reaktor um: Eine künstliche Membran hält die Enzyme im Reaktor zurück. Stephan Laue zeigte in seiner Promotionsarbeit, dass sich mit dieser Technik die Effektivität auch von chemischen Katalysatoren erhöhen lässt. Allerdings ist dazu ein Trick nötig, denn die chemischen Katalysatoren sind kleiner als ihre biologischen Pendants und werden daher nicht von der künstlichen Membran im Reaktor zurückgehalten. Wird jedoch ein Polymer – eine Kette zusammenhängender Moleküle – an den Katalysator angehängt, gewinnt dieser genügend an Größe hinzu. Stephan Laue konnte nun im chemischen Membran-Reaktor die Ausnutzung eines polymergebundenen Katalysators um den Faktor 50 steigern – und damit die produktbezogenen Katalysatorkosten entsprechend senken.

Über den Günther-Leibfried-Preis
Der seit 1990 verliehene Preis erinnert an Professor Dr. Günther Leibfried, einen langjährigen Direktor des Jülicher Instituts für Festkörperforschung. Der engagierte Professor, der 1977 verstarb, war maßgeblich am Aufbau des Forschungszentrums beteiligt. Noch heute denken viele an seine lebendige Art zurück, mit der er Forschungsthemen zu vermitteln verstand. Entsprechend werden mit dem Günther- Leibfried-Preis jene Doktoranden ausgezeichnet, die ihre Forschungsergebnisse für ein breites Publikum verständlich erläutern.