Kapitel über die Erfindung der Solarzelle
Kapitel über die Erfindung der Computertomographie
((Ü1)) 1954: Solarzelle
((Anleser))
Langfristig ist es unumgänglich, dass wir die begrenzten Energiequellen wie Erdöl oder Erdgas durch erneuerbare ersetzen. Die praktisch ewig vorhandene Energie der Sonne bietet sich da natürlich ganz besonders an. In den Labors der amerikanischen Bell Telephone Company gelang einem Forscherteam unter der Leitung von Gerald Pearson 1954 die Herstellung der ersten Solarzelle. Sie konnte allerdings nur 6 Prozent der Lichtenergie in nutzbaren Strom umwandeln, sodass sich viele fragten: Was soll man mit dieser Erfindung anfangen?
((Fließtext))
Dass Licht Strom erzeugen kann, wenn es auf bestimmte Materialien trifft, hatte der französische Physiker Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) schon 1839 entdeckt: Der so genannte »Photoeffekt« bezeichnet die Freisetzung von positiven und negativen Elektronen in einem Festkörper durch Licht. Was das eigentlich bedeutete, machte erst Albert Einstein klar: Wenn Lichtteilchen (Photonen) auf Atome prallen, fliegen Elektroteilchen (Elektronen) aus ihrer Umlaufbahn um den Atomkern und setzen elektrischen Strom frei. Für diese Entdeckung erhielt Einstein den Nobelpreis für Physik.
Aber noch war es unmöglich, den Strom, den man mittels des Lichts freisetzen konnte, praktisch nutzbar zu machen.
Um 1880 hat das bereits Charles Fritts geschafft: Er bedampfte sogenannte Vakuum-Fotozellen mit Selen. Die Energieausbeute lag zwar nur bei mageren 1-2 Prozent. Aber es war schon ein tausendmal höherer Strom als der, den Becquerel gemessen hatte. Immerhin konnte man damit schon den Belichtungsmesser eines Fotoapparates mit Strom versorgen.
Der Schlüssel zur effektiven Stromgewinnung aus dem Sonnenlicht lag in einem anderen Material, dem Silicium. Ein erheblicher Aufwand liegt zunächst darin, aus dem in der Erdkruste reichlich vorhandenen Siliciumdioxid (Quarz), reines kristallines Silicium herauszuschmelzen. Reines Silicium allein bringt aber auch noch nicht den gewünschten Erfolg. Durch einen Zufall hatten Forscher in den Labors des amerikanischen Telefonkonzerns Bell Anfang der fünfziger Jahre herausgefunden, dass reines Silicium sich besser zur Umwandlung von Licht in Strom eignet, wenn man es »dotiert«: Dabei werden Fremdatome in die Siliciumkristalle eingebracht, um die Ablösungsenergie von Elektronen stark herabzusetzen. Als Pearson und sein Team das so behandelte Silicium mit Licht bestrahlten, konnten bereits 6 Prozent des Lichts direkt in Strom umgewandelt werden.
Die Silicium-Solarzelle funktioniert auf verblüffend einfache Weise: Zwei elektrisch getrennte Schichten von Siliciumkristallen sind unterschiedlich mit Fremdatomen dotiert, sodass auf der einen Seite einen Elektronenüber-, auf der anderen ein –unterschuss besteht. Durch das Auftreffen des Sonnenlichts entsteht in beiden Schichten eine elektrische Ladung, die durch Elektroden abgegriffen wird.
Die Weltöffentlichkeit staunte über die Titelseiten der Zeitungen, die 1954 von einem Transistorradio mit Solarbatterie berichteten. Die New York Times schrieb vom „Beginn einer neuen Ära“... Das Rennen um höhere Wirkungsgrade hatte begonnen. Am Ende des 2. Jahrtausends konnte mit Solarzellen aus Galliumarsenid 37 Prozent Strom aus dem Sonnenlicht erzeugt werden. Rekord! Trotzdem ist die Solarzellentechnik, die sogenannte Photovoltaik, immer noch nicht konkurrenzfähig. Grund: Die Herstellungskosten.
Zunächst spielte Geld keine Rolle: Solarzellen wurden für den Einsatz im Weltraum entwickelt. 1958 funkte der US-Satellit Vanguard mit einer 1-Watt-Zelle aus dem All. Heute wird praktisch jeder Satellit mit »Sonnenstrom« versorgt. Auf dem Erdboden machte sich allerdings bald Ernüchterung breit: Die Sonne scheint zwar immer, aber nicht überall. Warum sollte man mit hohen Kosten Sonnenstrom gewinnen, wenn man ihn nicht für die Nacht speichern konnte? Die Energie der Zukunft schien eher in der Atomkraft zu liegen, Öl und Erdgas flossen noch reichlich und billig, und Umweltverschmutzung war noch kein Thema.
Erst mit der Ölkrise in den 1970er Jahren erwachte das Interesse an erneuerbaren Energien. Mehr Watt pro Gramm Solarzellen-Silizium lautete die Forderung. Der Preis des Sonnenstroms fiel innerhalb weniger Jahre von 200 auf 5 Dollar pro Watt. US-Präsident Clinton forderte, dass 1 Million US-Dächer mit Solarzellen ausgestattet werden, ein Programm, ehrgeiziger als die Mondlandung. Inzwischen denken die meisten Forscher, dass die Solarzelle doch nicht die „Dampfturbine“ der nächsten industriellen Revolution ist. Denn auch anders kann man das Sonnenlicht energietechnisch nutzen: Indem man nicht das Licht nutzt, sondern mit der Sonnenwärme Wasser erhitzt und damit ganz klassische Dampfturbinen betreibt, die auch umweltfreundlichen Strom erzeugen. Im Schwachstrombereich und außerhalb der Reichweite von Stromkabeln, ist die Solarzelle aber wohl eine der wichtigsten Energiequellen der Zukunft.
((Anleser))
Als der Engländer
Hounsfield und der Amerikaner Cormack im Jahre 1979 den Medizinnobelpreis für
ihre Entwicklung der Computertomographie (CT) bekamen, deutete sich schon an,
dass dieses Verfahren ein medizinischer Standard wie Röntgen-, Ultraschall oder
EKG werden würde. Schon am Ende des 20. Jahrhunderts war klar, dass das CT das
neue „Arbeitspferd“ der ärztlichen Diagnose ist, es läutete endgültig den
Beginn des Zeitalters der Apparatemedizin ein: Der Computer war als neue
Schnittstelle zwischen Patient und Arzt getreten.
((Fließtext))
Das CT baut auf der
Erfindung des Röntgenapparates auf. Auch hier wird die Entdeckung ausgenutzt,
dass Röntgenstrahlen geschwächt werden, wenn sie den menschlichen Körper
durchdringen. Je dichter das
Körpergewebe ist, desto stärker die Schwächung, und desto heller das Abbild auf
einem Film, der die Strahlung auf der Austrittsseite der Strahlen auffängt.
Darum sind Knochen auf einem Röntgenbild die hellsten Stellen, weil sie das
dichteste Gewebe haben. Je nach Gewebedichte finden sich auf einem Röntgenfilm
unterschiedliche Grautöne zwischen Weiß und Schwarz. Das ist kein Problem, wenn
man beispielsweise einen Fingerbruch diagnostizieren will, weil der Finger ja
größtenteils aus Knochenstrukturen besteht, die sich klar abzeichnen. Schon
beim gebräuchlichen Röntgen der Lunge stehen aber Rippenknochen und Wirbelsäule
einem klaren Abbild im Weg. Das Hauptproblem des klassischen Röntgens: Die
Röntgenstrahlen werden nur in einer Richtung geschickt und liefern nur ein
Aufbild ohne Tiefendarstellung.
Natürlich kann man
den Patienten drehen und weitere einzelne Röntgenbilder aus anderen Richtungen
erzeugen. Aber wie können diese Bilder zu einem ganzen zusammengefügt werden,
das dem Arzt eine sichere Diagnose erleichtert?
Die Idee von
Hounsfield und Cormack war es, einen Apparat zu entwickeln, der sich um den
Patienten bewegt und die Bilder mit Unterstützung eines Computers so zuordnet,
dass ein einziges entsteht.
Dieses Verfahren
nennt man Tomo-graphie (Schnitt-Bilddarstellung). Der Körper wird dabei Schicht
für Schicht mit Röntgenstrahlen abgetastet. Die Dicke der erfassten
Körperscheibe ist einstellbar und liegt je nach gewünschter Genauigkeit meist
zwischen 1 – 10 mm. Aus den übereinanderliegenden Grautönen der Bildelemente
bildet der Computer dann einen Mittelwert und stellt diesen als Bild zur
Verfügung. Die Dichtewerte werden zu Ehren eines der CT-Erfinder in HE (Hounsfield-Einheiten) ausgedrückt.
Wasser hat 0 HE, Luft hat minus 1000 HE. Die Dichtewerte der einzelnen
Körpergewebe liegen dazwischen.
Der Vorteil liegt darin, dass man nunmehr in der Lage war, kleinere Gewebestrukturen überlagerungsfrei darzustellen. Damit ist es auch möglich, Weichteilstrukturen wie Nerven, Muskeln, Rückenmark und anderen Organe direkt und in hoher Kontrastauflösung sichtbar zu machen, wobei der Kontrast noch verbessert werden kann, wenn man dem Patienten vor der CT-Untersuchung Kontrastmittel verabreicht.
Seit seiner Erfindung wurde das CT laufend verbessert, vor allem um die Strahlenbelastung zu senken. So sank die für ein CT erforderliche Aufnahmezeit von anfänglich 5 Minuten auf Werte unter 500 Millisekunden. Dank besserer Rechner arbeitet man heute auch mit Spiral-CTs, bei denen Patient und Röntgenröhre spiralförmig gegeneinander rotieren. Dadurch können nachträglich unterschiedliche Schnittbilder errechnet werden. Das CT ist einfach zu handhaben, schnell und kostengünstiger als neuere Hightech-Verfahren wie die Kernspintomographie. Deshalb wird sie vor allem als Erstuntersuchungsmethode bei akuten Erkrankungen wie Blutungen, Schädelverletzungen und Schlaganfall eingesetzt.
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