Messung der Wärmestrahlung Jenseits des Planck-Limits: Neue Methode übertrifft 117 Jahre altes Strahlungsgesetz

Ein internationales Forscherteam hat 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. Die Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die Entwicklung von thermophotovoltaischen Systemen zur direkten Umwandlung von Wärmestrahlung in elektrische Energie.

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Geesthacht – Dem Team von Forschern der Technischen Universität Hamburg (TUHH), des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) sowie der Staatliche Universität für Informationstechnologien, Mechanik und Optik Sankt Petersburg ist es in Kooperation mit den Universitäten Purdue (USA) und Alberta (Kanada) 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.

Wärmestrahlung bei Nanometer-Abständen präzise messen

„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.“

Neue Methode ist schneller, kostengünstiger und zeitaufgelöst

Mit ihrer neuen Messmethode konnten die 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.

Originalpublikation: S. Lang, G. Sharma, S. Molesky, P. U. Kränzien, T. Jalas, Z. Jacob, A. Yu. Petrov & M. Eich: Dynamic measurement of near-field radiative heat transfer; Scientific Reports 7, Article number: 13916 (2017) doi:10.1038/s41598-017-14242-x

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