Das sagt die Wissenschaft - Wissenschaftsjahr 2020/21 - Bioökonomie

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24.09.2021

Das sagt die Wissenschaft

Kurz & Knapp
  • Sind LEDs ein nachhaltiges und umweltfreundliches Beleuchtungssystem, das auch unsere Enkelkinder noch nutzen können?
  • Protein-LEDs leuchten durch fluoreszierende Proteine aus Bakterien.
  • Sie haben das Potenzial, giftige und nicht nachhaltige Farbfilter auf Basis Seltener Erden zu ersetzen.

Mit Bio-LEDs die Welt beleuchten und die Umwelt schützen

Ein Beitrag von Prof. Dr. Rubén D. Costa Lehrstuhl für Biogene Funktionswerkstoffe, Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit der Technischen Universität München (TUM)

Unsere Ressourcen zu schonen ist eine wichtige Aufgabe, damit unser Planet auch für nachfolgende Generationen noch lebenswert ist. Ein effizienter Stromverbrauch ist einer der Bausteine, die hierfür notwendig sind. Energieeinsparpotenzial besteht beispielsweise durch den Einsatz weißer Leuchtdioden (WLEDs – White Light Emitting Diode), die unter anderem in unseren Haushaltslampen vorkommen. WLEDs besitzen im Vergleich zu anderen Lichtquellen einen höheren Wirkungsgrad und haben daher einen niedrigeren Stromverbrauch. Doch sie haben auch große Nachteile.

Köpfe des Wandels

Nach Stationen unter anderem an der Universität Erlangen-Nürnberg, am IMDEA Materials Institute in Madrid und an der Universität Waseda in Japan ist Prof. Costa seit 2020 Leiter des Lehrstuhls für „Biogene Funktionswerkstoffe“ am Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit der Technischen Universität München (TUM). 2020 wurde Prof. Costa eine besondere Ehre zuteil: Spaniens König zeichnete ihn für die Entwicklung von umweltschonenden Bio-LEDs weltweit besten spanischen Nachwuchswissenschaftler aus.

Herstellung und Betrieb weißer Leuchtdioden erzeugt Probleme

WLEDs bestehen aus einem Chip, der von farbkonvertierenden Filtern bedeckt ist. Diese basieren auf toxischen und/oder Seltenerd-Elementen (anorganischer Phosphor). Yttrium ist ein Schlüsselbestandteil solchen anorganischen Phosphors, wird aber von der EU als kritischer Rohstoff gelistet: Die natürlichen Ressourcen des Seltenerdmetalls sind in spätestens 15 Jahren erschöpft, sollte die weltweite Nachfrage nach LEDs wie erwartet weiter steigen.

Darüber hinaus ist das Recyclingverfahren noch immer ineffizient. Ökologische Auswirkungen (Abbau/Recycling/Toxizität), die Kontrolle der begrenzten Seltenen-Erden-Ressourcen und steigende Kosten stellen die langfristige Nachhaltigkeit von WLEDs in Frage. Nicht zu vergessen sind die gesundheitlichen Folgen für Menschen: Schließlich wandeln die Filter aus anorganischem Phosphor blaues Licht nur ineffizient um, was schwerwiegende Auswirkungen auf die Sehschärfe bei Kindern und älteren Menschen sowie nicht-visuelle Effekte wie Schlafstörungen bei Erwachsenen hat. Künstliche Beleuchtung gehört zu unserem Alltag - 8 bis 14 Stunden am Tag sind Heim- oder Bürobeleuchtungen eingeschaltet oder es laufen Computer, Fernseh- oder andere Bildschirme.

Ungiftige und nachhaltige organische Leuchtstoffe sind das Ziel

Anorganischer Phosphor muss daher durch ungiftigen und nachhaltigen organischen Phosphor ersetzt werden, um eine neue Generation von Hybrid-WLEDs zu entwickeln.

Seit ihrer Einführung im Jahr 1995 wurden die meisten in Polymermatrizen (Silikone) eingebetteten emittierenden Materialien als organischer Phosphor eingesetzt, ohne die Anforderungen der Kunden zu erfüllen. Sie zeigten nur geringe Effizienz und Stabilität. Daher ist ein neuer Ansatz dringend erforderlich.

Von der Natur inspiriert: Wie ein Biologe bzw. Chemiker denken und wie ein Ingenieur arbeiten

Die Natur produziert auch ihr eigenes weißes und Regenbogenlicht, indem sie fluoreszierende Proteine als Farbfilter verwendet. Sie zeichnen sich durch hervorragende Emissionsmerkmale aus (Regenbogenfarben, effizientes und schmales Spektrum). Darüber hinaus ist ihre Produktion mit Hilfe von Bakterien unbegrenzt und kostengünstig.

Seit dem Jahr 2000 arbeiten wir mit fluoreszierenden Proteinen. Die große Herausforderung besteht darin, sie außerhalb von Wasser oder der zellulären Umgebung zu stabilisieren, um sie in unserer Technologie einsetzen zu können.

Nun ist es gelungen, ein neues Konzept zur Stabilisierung von fluoreszierenden Proteinen in verschiedenen Polymermatrizen für lange Zeiträume unter Umgebungsbedingungen für die Lagerung und den Betrieb von WLEDs zu entwickeln. Diese neue Technologie heißt Bio-LED und besteht aus denselben Komponenten wie die derzeitigen LEDs, ersetzt aber das bisher enthaltene anorganische Phosphor für Proteinfarbfilter. Die Bio-LEDs erreichen bereits eine Stabilität von bis zu sechs Monaten bei hoher Leistungseffizienz im Betrieb.

Die hier veröffentlichten Inhalte und Meinungen der Autorinnen und Autoren entsprechen nicht notwendigerweise der Meinung des Wissenschaftsjahres 2020/21 – Bioökonomie.​