Infektionen mit Keimen aus dem Trinkwasser sind vor allem in den ärmeren Regionen der Erde eine der häufigsten Todesursachen. Das Abkochen des Wassers funktioniert dort meist nicht, weil es nicht genug Heizmaterial dafür gibt. Das Gesundheitsproblem lösen könnten Leuchtdioden (LED), die Michael Kneissl und seine Mitarbeiter an der TU Berlin und am Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik entwickeln. Für Desinfektionen müssen solche LEDs allerdings kein sichtbares, sondern UV-Licht abstrahlen.
UV-Strahlung aber desinfiziert nicht nur, sondern wird auch von Ärzten zur Behandlung von Hauterkrankungen und von der Industrie zum Beispiel beim Aushärten von Druckfarben auf Lebensmittelverpackungen eingesetzt.
Bisher erzeugt man UV-Licht mit Quecksilberdampflampen, die aber nach 5000 bis 8000 Stunden Betrieb meist den Geist aufgeben und nach dem Anschalten fünf bis 30 Minuten brauchen, bis sie ihre volle Leistung erreichen. LEDs dagegen liefern sofort volle Leistung und funktionieren nach 50 000 Leuchtstunden und ungezähltem An- und Ausknipsen immer noch hervorragend. Obendrein sind LEDs robuster als Quecksilberdampflampen und werden daher längst in Autoscheinwerfern eingesetzt.
Bisher gibt es auf dem Markt allerdings nur LEDs, die sichtbares Licht erzeugen. Michael Kneissl und seine Kollegen dagegen arbeiten an UV-Dioden, die in einem "metallorganische Gasphasenepitaxie" genannten Verfahren hergestellt werden. Dabei wird eine Trimethylgallium genannte Verbindung gemeinsam mit dem Gas Ammoniak über eine extrem dünne, heiße Saphirscheibe mit einem Durchmesser von ungefähr fünf Zentimetern geleitet. Die Verwendung eines Edelsteins als Grundlage klingt teuer. Da die Scheibe aber nur ein drittel Millimeter dick ist, kostet sie etwa 20 Euro. Immerhin 2000 LEDs kann man aus einer dieser Scheiben herstellen. Die Edelsteingrundlage einer einzigen UV-Leuchtdiode kostet daher gerade einmal einen Cent und wird so keineswegs zum Preistreiber.
Beim Kontakt mit dieser heißen Saphirscheibe zersetzen sich das Trimethylgallium und das Ammoniak und schlagen sich als hauchdünne, nur wenige Atomlagen dicke Schicht Galliumnitrid auf der Oberfläche ab. Viele dieser Schichten werden mit höchster Präzision übereinander abgeschieden. Nehmen die Forscher reines Galliumnitrid, erzeugt elektrischer Strom in diesen Dioden Licht mit einer Wellenlänge von 362 Nanometern. Das reicht zwar noch nicht zum Entkeimen von Wasser, ist aber immerhin bereits weiches UV-Licht.
Ersetzen Michael Kneissl und seine Kollegen die Galliumatome teilweise durch Aluminiumatome, senden die entstehenden Halbleiter kurzwelligeres Licht aus. Je mehr Aluminiumnitrid an die Stelle von Galliumnitrid tritt, umso kurzwelliger strahlt die LED. Reines Aluminiumnitrid liefert dann sehr hartes UV-Licht mit einer Wellenlänge von 210 Nanometern. So können die Forscher LEDs herstellen, die Licht jeder Wellenlänge zwischen 362 und 210 Nanometern aussenden.
Das ideale UV-Licht mit 250 bis 280 Nanometern Wellenlänge zum Desinfizieren lässt sich so genauso gut erzeugen wie LEDs mit 310 Nanometern, die Hautkrankheiten lindern. So weit die Theorie - die Praxis ist natürlich schwieriger. So verwandeln erste Dioden nur ein oder zwei Prozent der elektrischen Energie in UV-Licht, bei LEDs mit sichtbarem Licht liegt der Wirkungsgrad zum Teil bei 60 Prozent.
In den nächsten Jahren wollen die Berliner Forscher daher den Wirkungsgrad mit technischen Kniffen verbessern. Eine erste Anlage testen sie derzeit gemeinsam mit dem Kompetenzzentrum Wasser Berlin. 30 einfache UV-Dioden einem Wirkungsgrad unter einem Prozent entkeimen dort Wasser in einem Vorratsbehälter.
Für entlegene Dörfer in Entwicklungsländern rückt so eine billige Trinkwasserentkeimung in greifbare Nähe. Auch die Luftfahrtindustrie, Bahnunternehmen und Campingausrüster signalisieren Interesse an der Methode, die sauberes Trinkwasser während der Fahrt oder im Flug liefern kann.
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