Jenseits des Planck-Limits: Neue Messmethode für Wärmestrahlung
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH), des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) sowie der Staatliche Universität für Informationstechnologien, Mechanik und Optik Sankt Petersburg haben in Kooperation mit den Universitäten Purdue (USA) und Alberta (Kanada) ein neues Messverfahren entwickelt, mit dem sich der Übergang von Wärmestrahlung zwischen einem heißen und einem kalten Körper selbst bei Nanometer-Abständen präzise messen lässt.
Darstellung des auf den konventionellen Planckschen Schwarzkörper normierten Strahlungswärmeflusses über einen dünnen Spalt hinweg zwischen einem heißen und einem kalten Körper. Die Spaltgröße wurde von 7µm (rechts) bis zu 150 nm (links) verringert.
Die blauen und roten Punkte zeigen Messwerte an, die mittels Plat-ten aus BK7-Glas (blau) und Quarzglas (rot) ermittelt wurden. Die Balken zeigen die experimentellen Fehlermargen an. Die blauen und roten Korridore geben die theore-tischen Vorhersagen innerhalb der erzielbaren Genauigkeit an. [Grafik: M. Eich]
Dem Team ist es gelungen, zwischen Platten von mehreren Quadratzentimetern Fläche einen Abstand von nur 150 Nanometern zu erzeugen. Das entspricht etwa dem Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.
„Bei derart geringen Abständen wird der Übergang der Wärmestrahlung nicht mehr durch das berühmte, im Jahre 1900 von Max Planck formulierte Strahlungsgesetz bestimmt, sondern durch sogenannte Nahfeldeffekte, die gegenüber dem Planckschen Schwarzkörper - der idealen thermischen Strahlungsquelle - ein Vielfaches an Strahlungsübertrag verursachen können“, sagt Professor Manfred Eich, Leiter des TUHH-Instituts für Optische und Elektronische Materialien und HZG-Wissenschaftler. „Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die Entwicklung von thermophotovoltaischen Systemen zur direkten Umwandlung von Wärmestrahlung in elektrische Energie, die einen wichtigen Aspekt einer nachhaltigen Energieversorgung darstellen.“
Mit ihrer neuen Messmethode konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Strahlungswärmeübergang bestimmen, der bei dem geringsten Abstand von 150 Nanometern das Plancksche Schwarzkörper-Limit um den Faktor 16 übertrifft. Hierzu wurde ein dynamisches Messverfahren entwickelt, das keine Nanostrukturierung der Proben erfordert und somit kostengünstiger und schneller arbeitet.
Als zeitaufgelöstes Verfahren erlaubt diese Methode zudem, die Einflüsse der einzelnen Wärmewiderstände aufzulösen.
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Kontakt Prof. Eich
Technische Universität Hamburg (TUHH)
Am Schwarzenberg-Campus 1