Physik Journal 11 / 2016

Was hat Sie bewogen, sich für diese Mission zu bewerben?

Neugier! Und der Wunsch, aktiv zur Raumfahrt beizutragen. In erster Linie war es ein psychologisches Experiment, bei dem die Gruppendynamik im Mittelpunkt stand. Die Herausforderung bestand darin, dass sechs Leute zusammenleben, ohne sich gegenseitig an den Kragen zu gehen.

Ist Ihnen das gelungen?

Die Tatsache, dass wir alle lebend aus dem Habitat gekommen sind, spricht wohl dafür.

Wie wurden Sie ausgewählt?

Angefangen hat es mit einer Bewerbung mit Lebenslauf. Später musste ich Frage­bögen zu meiner Persönlichkeit ausfüllen und in Tests meine kognitive Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen. Außerdem gab es ein Skype-Gespräch. Die acht Finalisten wurden dann zu einer einwöchigen Trekkingtour in den Rocky Mountains eingeladen. Anschließend haben wir uns gegenseitig anonym bewertet. Auf dieser Basis wurden die sechs Teilnehmer ausgewählt...

Die Nanotechnologien in Gänze werden heute in den Medien gern vereinfacht mit der Entwicklung neuer Nanomaterialien gleichgesetzt – ein großer Fehler und eine starke Vereinfachung. Denn Nanomaterialien machen nur einen relativ kleinen Anteil an der gesamten Technologieentwicklung aus. Dennoch ist die Diskussion um die „Risiken der ­Nanotechnologie“ meist auf die Produktion und den Umgang mit Nanopartikeln gerichtet [1], sodass sich dieser Beitrag darauf konzentrieren wird. Noch zu Beginn des neuen Jahrtausends standen „bedrohliche“ technische Szenarien im Mittelpunkt der Befürchtungen wie die „selbst-reproduzierenden Nanobots“. Der Nanoforscher Eric Drexler und der Chemie-Nobel­preisträger Richard Smalley lieferten sich einen heftigen Schlagabtausch, ob Nano-Assembler – also Maschinen, die etwas produzieren und sich auch selbst reproduzieren können – mit den Grundlagen der Natur­wissenschaft vereinbar seien.

Warum ist aber die Kritik mittlerweile nahezu völlig auf ein einziges Merkmal der Nanomaterialien ausgerichtet, nämlich ihre Kleinheit? Um diese Frage schlüssig zu beantworten, sind einige Vorüberlegungen zu wichtigen Kernpunkten in der Entwicklung von sehr kleinen Materialien notwendig...

Die Entwicklung von Weißlicht-LEDs ermöglichte Mitte der 90er-Jahre den Durchbruch einer völlig neuen Beleuchtungstechnologie: Solid State Light­ing. Seitdem wurden LEDs aus Galliumnitrid (GaN) und Indiumgalliumnitrid (InGaN) Schritt für Schritt weiter entwickelt. Die aktive InGaN-Schicht in der LED selbst emittiert blaues Licht, das Leuchtstoffe wie Phosphor teilweise in gelbes Licht konvertieren – so entsteht weißes Licht. Dabei hatten in den späten 80er-Jahren nur wenige Forscher geglaubt, dass GaN sich als Halbleitermaterial für LEDs eignen könnte, weil es zu viele Probleme gab – von der Herstellung der Kristalle bis zur passenden Dotierung. Doch einige japanische Wissenschaftler gaben nicht auf und entwickelten die entscheidenden Prozessschritte: Sie ließen GaN kris­tallin auf Saphir aufwachsen und konnten es sowohl n- als auch p-dotieren. So entstand 1992 die erste blaue GaN/InGaN-LED [1]. Für diese Entwicklung erhielten Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura 2014 den Physik-Nobelpreis [2]. Nachdem sich die Forschung über ein Jahrzehnt lang vor allem auf die Steigerung der Ausgangsleistung fokussierte, entbrannte in den frühen 2000ern ein Wettrennen um Effizienzrekorde. Heutzutage erreichen kommerzielle GaN-Weißlicht-LEDs Effizienzen von über 160 lm/W, die besten Labormuster erzielen sogar über 300 lm/W [3]. Im Vergleich dazu schaffen typische Glühlampen nur 10 bis 20 lm/W: Sie benötigen für dieselbe Lichtmenge also über zehnmal mehr elektrische Energie (Infokasten „Lichtausbeute und Lichtstrom“).

Leuchtdioden für die Allgemeinbeleuchtung bestehen aus einer lichtemittierenden, sehr dünnen Schicht aus InGaN, die in einen pn-Übergang eingebettet ist. In dieser Schicht treffen freie Ladungsträger – Elektronen und Löcher – zusammen und rekombinieren vorwiegend strahlend, d. h. unter Aussendung eines Photons. Die Energie der Photonen, und damit die Farbe des Lichts, entspricht der Energie der Bandlücke der InGaN-Schicht. Aufgrund der Quantentrog-Struktur von InGaN treten Quantisierungsenergien auf und modifizieren diesen Wert weiter. Die aktive, leuchtende Schicht besteht aus einem oder mehreren Quantentrögen, weshalb die eingeprägten Bandverläufe und die damit verbundenen Potentialverläufe sowohl Elektronen als auch Löcher lokalisieren (Abb. 1). Dieses Design ermöglicht eine sehr effiziente strahlende Rekombination, die üblicherweise im blauen Spektralbereich bei etwa 450 nm liegt...

In der Wissenschaft gab es immer wieder Beispiele für Forscherinnen und Forscher, die ihre Begabungen und Leidenschaften an die nächste Generation weitergeben konnten. Man denke nur an die Familie Curie oder Gespanne aus Vater und Sohn, die entweder gemeinsam oder einzeln den Nobelpreis erhielten wie William Henry und William Lawrence Bragg, Niels und Aage Bohr oder J. J. (Joseph John) und George Paget Thomson.

Dass bei den Machs heute nur ein Name dominiert, hat verschiedene Gründe. Ernst Mach (1838 – 1916) hat in seiner wissenschaftlichen Laufbahn eine bemerkenswerte Vielseitigkeit an den Tag gelegt. Seine umfangreichen Schriften entfalten eine bis heute anhaltende akademische Wirkung, und die „Mach-Zahl“ für das Verhältnis der Bewegungsgeschwindigkeit von Objekten zur Schallgeschwindigkeit ist ein fest etablierter Begriff...