Im Dunkeln leuchtende Materialien können dazu beitragen, dass Städte kühler bleiben und weniger Strom verbrauchen – so funktionieren sie

• Nachleuchtende Materialien werden weltweit für Notbeleuchtung und Straßenmarkierungen verwendet.
• Sie tragen dazu bei, Städte kühl zu halten, indem sie Licht reemittieren, das sonst in Wärme umgewandelt würde.
• Da diese im Dunkeln leuchtenden Materialien verbessert werden, können sie für energieeffizientere Städte verwendet werden.

Um das Jahr 1603 versuchte der italienische Schuhmacher und Amateuralchemist Vincenzo Casserole, einen besonders dichten Stein zu schmelzen, den er an den Hängen des Monte Paderno in der Nähe von Bologna gefunden hatte. Es entstand kein Gold, Silber oder andere Edelmetalle, wie er es erhofft hatte. Doch nachdem der Stein abgekühlt war, entdeckte Casciarolo etwas Interessantes: Wenn er das Material dem Sonnenlicht aussetzte und es dann in einen dunklen Raum brachte, würde der Stein leuchten.

Dieser “Bologna Stone” war der erste künstlich hergestellte, dauerhaft leuchtende Substanz. Viele weitere sollten folgen – und heute werden langlebige Leuchtstoffe für Dekorationen, Notbeleuchtung, Fahrbahnmarkierungen und medizinische Bildgebung verwendet.

Eines Tages könnten sie uns leuchtende Städte bescheren, die kühler bleiben und weniger Strom verbrauchen.

EIN neue Generation von Leuchtstoffen hat das Potenzial, Städte zu kühlen, indem es Licht reemittiert, das sonst in Wärme umgewandelt würde. Sie könnten auch den Energieverbrauch senken, da leuchtende Gehwege, leuchtende Straßenmarkierungen oder sogar leuchtende Gebäude eine Straßenbeleuchtung ersetzen könnten. Einige Städte in Europa haben bereits leuchtende Fahrradwege eingerichtet, und einige Forscher haben die Verwendung von leuchtende Farbe für Fahrbahnmarkierungen.

“Es ist besser für die Umwelt”, sagte Paul Berdahl, ein Umweltphysiker, der jetzt vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Kalifornien, im Ruhestand ist. “Wenn die Technologie verbessert werden kann, können wir weniger Energie verbrauchen… Es lohnt sich.”

Der Bologna-Stein, eine Form des Minerals Baryt, faszinierte damals die Naturphilosophen, war aber nie besonders nützlich. Aber in den 1990er Jahren entwickelten Chemiker neue Arten von persistenten photolumineszenten Materialien, wie Strontiumaluminat, die nach der Belichtung stundenlang ein starkes Leuchten beibehielten. Die meisten dieser neuen Materialien leuchten blau oder grün, obwohl einige gelb, rot oder orange leuchten.

Solche photolumineszenten Materialien arbeiten, indem sie die Energie eines Photons “einfangen” und diese Energie dann als Licht niedrigerer Wellenlänge wieder emittieren. Manchmal wird das Licht sofort emittiert, beispielsweise bei einer Leuchtstofflampe. Andere Materialien, die als dauerhaft lumineszierend bezeichnet werden, speichern die Energie länger und geben sie langsamer ab.

Diese Materialien, die stundenlang stark leuchten, eröffnen Möglichkeiten wie im Dunkeln leuchtende Städte, die von leuchtenden Bürgersteigen und Gebäuden beleuchtet werden. Schon seit 19 % des weltweiten Energieverbrauchs entfallen auf Beleuchtung, und in Europa ca. 1,6 % speziell für Straßenbeleuchtung, das Energieeinsparpotenzial ist groß, schreiben Gebäudeingenieurin Anna Laura Pisello und Kollegen in der “Jahresübersicht der Materialforschung” 2021.”

Ein Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass die meisten Leuchtstoffe nicht die ganze Nacht hindurch leuchten. Bessere Materialien könnten dieses Problem lösen, sagt Pisello von der Universität Perugia, der energieeffiziente Baustoffe studiert. In der Zwischenzeit könnten vorhandene Materialien mit einer elektrischen Beleuchtung kombiniert werden, die lange genug leuchtet, um die Fahrbahnmarkierungen aufzuladen, bevor sie wieder ausgeschaltet wird.

Lumineszierender Anstrich könnte auch für die Beleuchtung des Außenbereichs sorgen. Pisellos Labor hat solch eine im Dunkeln leuchtende Farbe entwickelt und in einem Bericht von 2019, simulierte, was passieren würde, wenn sie damit einen öffentlichen Weg in der Nähe eines Bahnhofs bemalen würden. Durch das Leuchten während der Nacht würde die Farbe den Energiebedarf für die Beleuchtung in der unmittelbaren Umgebung um etwa 27 % reduzieren, fanden die Wissenschaftler heraus.

Wenn dies die Sorgen ganzer Städte heraufbeschwört, die die ganze Nacht grell leuchten und die schädliche Lichtverschmutzung, Pisello sagt, das sei unwahrscheinlich. Lumineszierende Materialien würden wahrscheinlich nur die vorhandene Beleuchtung ersetzen, nicht ergänzen. Die Farbe der leuchtenden Materialien könnte so gewählt werden, dass die blauen Frequenzen vermieden werden, die sich als besonders schädlich für Wildtiere erwiesen haben.

Lumineszierende Materialien könnten auch dazu beitragen, den sogenannten urbanen Wärmeinseleffekt zu bekämpfen. Dächer und Bürgersteige nehmen Sonnenenergie auf und geben sie als Wärme ab, wodurch die Sommertemperaturen in der Stadt im Durchschnitt 7,7 °C höher sind als im Umland. Die hohen Temperaturen stellen ein potenzielles Gesundheitsrisiko dar und führen auch dazu, dass mehr Energie für die Kühlung von Gebäuden verbraucht wird.

Eine immer häufigere Lösung sind „kühle“ Materialien, die Licht reflektieren, wie weiße Farbe und heller Asphalt. Es stellt sich heraus, dass das Hinzufügen von lumineszierenden Materialien noch mehr helfen kann.

Im Lawrence Berkeley Lab, Berdahl und seinen Team experimentierte mit synthetischem Rubin, ein Material, das im Sonnenlicht nachleuchtet, um farbige Beschichtungen herzustellen, die kühl bleiben. In einem frühen Experiment berichteten sie, dass eine rubinpigmentierte Oberfläche in der Sonne kühler bleibt als ein ähnlich gefärbtes Material ohne das spezielle Pigment.

Pisellos Labor ging noch einen Schritt weiter und mehrere anhaltend leuchtende Materialien hinzugefügts – solche, die Lichtenergie speicherten und langsam wieder abgaben – zu Beton. Im Vergleich zu nicht leuchtenden gleichfarbigen Oberflächen senkten die besten die Umgebungstemperatur an sonnigen Tagen um bis zu 3,3 °C.

“Du kannst das schaffen [a surface] so reflektierend wie möglich. Aber können Sie darüber hinausgehen? Die Idee ist, dass Sie vielleicht noch ein bisschen darüber hinausgehen können, indem Sie anhaltende Lumineszenz als einen anderen Weg zur Übertragung von Energie verwenden … Es ist interessant “, Patrick E. Phelan, ein Maschinenbauingenieur an der Arizona State University, der Co-Autor eines Artikels über den urbanen Wärmeinseleffekt in der “Annual Review of Environment and Resources”, sagte.

Es gibt 250 bekannte Leuchtstoffe, von denen viele noch nicht für praktische Anwendungen untersucht wurden. Pisello sagt, dass es Potenzial für leuchtende Farben und Straßen gibt, die länger halten und in mehr Farben heller leuchten.

„Kurzfristig besteht die beste und einfachste Lösung darin, das zu verbessern, was wir bereits haben“, sagte sie. Dazu gehört, Materialien so zu optimieren, dass sie länger, stärker oder in verschiedenen Farben leuchten, und sicherzustellen, dass sie in realen Umgebungen weiterhin funktionieren.

Längerfristig könnten neue Klassen von technischen Materialien sogar noch besser funktionieren. Zum Beispiel könnte man sich „Quantenpunkten“ zuwenden – winzigen halbleitenden Teilchen, die zum Leuchten gebracht werden können und die es bereits sind verwendet in biologischen

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