Kirchhoffs Gesetz der Wärmestrahlung wird nach 165 Jahren gebrochen

Energie

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 26.06.2025

a) Schema der nichtreziproken Emission und Absorption. (b) Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Mehrschichtstruktur. (c) Schematische Darstellung des Experiments. (d, e) Emissionsgraddiagramme. (f, g) Reale Emissionsgrad- und Polarisationsspektren. [Bild: Zhenong Zhang et al. - 10.48550/arXiv.2501.12947]

Das Kirchhoffsche Gesetz brechen

Ein seit 165 Jahren geltendes „Gesetz“ der Wärmestrahlung wurde gerade widerlegt (zuvor war es leicht verbogen worden). Wissenschaftler feiern dies, weil die Entdeckung den Weg für effizientere Technologien zur Energiegewinnung, Wärmeübertragung und Infraroterkennung ebnet.

Das sogenannte Kirchhoffsche Gesetz der Wärmestrahlung ist ein 1860 vom deutschen Physiker Gustav Kirchhoff [1824-1887] entwickeltes Konzept, das besagt, dass die Absorptionseffizienz und die Emissivität eines Materials bei jeder Wellenlänge und jedem Einfallswinkel gleich sind.

Mit anderen Worten: Die Fähigkeit eines Materials, elektromagnetische Strahlung – beispielsweise eine Energiewelle in Form von Sonnenlicht oder Röntgenstrahlen – bei einer bestimmten Wellenlänge und einem bestimmten Winkel zu absorbieren, muss seiner Fähigkeit entsprechen, Strahlung bei derselben Wellenlänge und demselben Winkel zu emittieren. Dies wird als reziproke Beziehung bezeichnet.

Das Kirchhoffsche Gesetz geriet vor zwei Jahren außer Kraft, als ein Team am California Institute of Technology ein Material entwickelte, das sich nicht gemäß diesem Gesetz verhält.

Doch nun haben Zhenong Zhang und Kollegen von der Pennsylvania State University einen dramatischen Bruch mit diesem Gesetz aufgezeigt. Dieser noch stärkere Bruch bedeutet, dass es nun möglich ist, in der Praxis Dinge zu erreichen, die zuvor undenkbar waren.

Nicht-Reziprozität

Der bisherige Nachweis einer nichtreziproken Emission und Absorption erreicht weder einen hohen Kontrast zwischen Emissionsvermögen noch über einen weiten Wellenlängenbereich hinweg, beides Voraussetzungen, die für praktische Anwendungen auf der Basis nichtreziproker Materialien erforderlich sind.

„Die Fähigkeit, das Kirchhoffsche Gesetz stark zu verletzen, eröffnet nicht nur eine radikal neue Möglichkeit zur Kontrolle der Wärmestrahlung, sondern kann auch Energie- und Sensoranwendungen grundlegend verbessern“, sagte Zhang. „Bei reziproken Solarzellen zur Solarenergiegewinnung beispielsweise muss die Solarzelle optische Energie zurück zur Sonne emittieren, wie es das Kirchhoffsche Gesetz vorschreibt. Dieser Teil der Energie, der zur Sonne zurückkehrt, geht verloren.“

„Wenn wir jedoch nicht-reziproke Emitter haben, können wir die Emission in eine andere Richtung lenken. Dann könnten wir dort eine weitere Solarzelle installieren, die diesen Teil der Energie absorbiert und so die Gesamteffizienz der Energieumwandlung erhöht. Eine solche Strategie wurde theoretisch vorgeschlagen, um die Gewinnung von Solarenergie innerhalb der Grenzen der thermodynamischen Effizienz zu ermöglichen“, fügte der Forscher hinzu.

Nichtreziprozität wird in dimensionslosen Parametern gemessen. Das bedeutet, dass die Systemgrenzen keinen Einfluss auf die resultierende Messung haben – die Differenz zwischen der tatsächlich absorbierten und der tatsächlich emittierten Menge. In einem wirklich reziproken System wäre der erwartete Kontrast zwischen Emissions- und Absorptionsgrad null.

„Bei unserer Arbeit haben wir den stärksten Kontrast von 0,43 beobachtet, und auch in einem breiten Wellenlängenbereich von 10 Mikrometern ist ein erheblicher Kontrast vorhanden. Die starke nichtreziproke Emission weist auf ein großes Anwendungspotenzial hin“, sagte Professor Linxiao Zhu.

Praktische Anwendungen

Der vom Team gebaute nichtreziproke Emitter besteht aus einem sehr dünnen Film, der auf andere Oberflächen übertragen werden kann, was ihn von früheren Experimenten unterscheidet und außerdem die Integration von Geräten ermöglicht.

Es gibt fünf Schichten aus Halbleitermaterial (InGaAs), jede mit leicht unterschiedlicher Zusammensetzung, aber das Team ist davon überzeugt, dass es keine grundsätzlichen Einschränkungen für die Verwendung anderer Materialien gibt – InGaAs- Heteroübergänge werden in elektronischen und photonischen Geräten häufig verwendet.

„Unser Material ist mit einer Gesamtdicke von etwa zwei Mikrometern hergestellt, dünner als ein menschliches Haar“, sagte Teammitglied Alireza Dehaghi. „Dank des von uns gewählten Materialsystems konnten wir den mikrofeinen Dünnfilm auf ein anderes Substrat übertragen. Dadurch kann er auf verschiedene Geräte übertragen werden, um die Effizienz bei der Energieumwandlung, der Wärmeübertragung und anderen Anwendungen zu steigern.“

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