Van lichtdoping voor groenten tot waterbehandeling

UV-LEDs zijn robuust – ze zijn daarom ideaal voor mobiele waterzuivering. (© FBH/schurian.com)

Ongeveer 1,8 miljoen euro kost een moderne gasfase-epitaxie-installatie, die nodig is voor de productie van de UV-LEDs. (© TU Berlin/P. Gupta)

Specifieke UV-LEDs worden ingezet in de groenteteelt. Ze stimuleren de planten om vooral veel waardevolle secundaire plantstoffen te produceren. (© Melanie Wiesner-Reinhold, IGZ)

Multiresistente ziekenhuisbacteriën zorgen voor onrust in de medische wereld: Ze lijken zich bijna overal te verspreiden. Vooral in ziekenhuizen wordt de controle van desinfectie steeds belangrijker. Daartoe worden regelmatig uitstrijkjes genomen van gedesinfecteerde voorwerpen. Potentieel aanwezige bacteriën worden vervolgens losgemaakt en op een voedingsmedium gekweekt. Als er iets op het medium groeit, waren ondanks de reiniging bacteriën aanwezig; als er niets groeit, is de desinfectie geslaagd. Probleem: deze methode neemt meerdere uren of zelfs dagen in beslag. “Vier vijfde van deze monsters is bacterievrij – maar welke, dat is de vraag,” zegt Prof. Dr. Michael Kneissl, hoofd van het vakgebied Experimentele Nanofysica en Fotonica aan de TU Berlijn.

“Wanneer het oppervlak van zulke monsters wordt bestraald met UV-LEDs met verschillende golflengten, worden bepaalde biomoleculen in de bacteriën gestimuleerd om te fluoresceren. Zo kan een potentiële bacteriële belasting worden vastgesteld. En niet alleen dat: veel multiresistente bacteriën hebben karakteristieke fluorescerende spectra, zodat men deze in de toekomst ook direct als zodanig zou kunnen herkennen,” legt Michael Kneissl uit, die ook ondervoorzitter is van het consortium ‘Advanced UV for Life’. Het consortium, dat inmiddels 49 partners telt en door het Duitse ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) met ongeveer 45 miljoen euro is uitgerust, test in 26 lopende projecten innovatieve toepassingen voor UV-LEDs. En die zijn er veel. De gebruikte UV-LEDs komen grotendeels uit de laboratoria van de TU Berlijn en het Ferdinand-Braun-Instituut, die al meer dan tien jaar samenwerken in hun joint lab ‘GaN Optoelectronics’. Afhankelijk van de golflengte zijn de toepassingsmogelijkheden van de UV-LEDs enorm divers en economisch zeer interessant: naast desinfectie behoren geneeskunde, waterbehandeling, gassensoriek, lithografie en lichttoepassingen bij de plantenteelt tot de mogelijke toepassingsgebieden.

UV-LEDs voor waterdesinfectie

LEDs, oftewel lichtdiodes, zijn bekend als opvolgers van de gloeilamp. Uiteindelijk zijn LEDs lichtemitterende halfgeleidercomponenten die uit stroom licht genereren. Afhankelijk van het gebruikte halfgeleider materiaal kunnen deze LEDs ook licht in het onzichtbare spectrum uitzenden, bijvoorbeeld UV-licht. Hiervoor wordt een legering van aluminium, gallium en stikstof als halfgeleider gebruikt. Deze halfgeleiders kunnen, afhankelijk van de productiewijze, bijna het volledige ultraviolette spectrum (210 nm – 400 nm) bestrijken.

“Een bijzonder interessante toepassing van UV-LEDs is waterbehandeling,” zegt Michael Kneissl. UV-licht met golflengten van 250 nm – 280 nm heeft de eigenschap om aangrenzende nucleïnebasen in DNA te verbinden. Wanneer water met dit UV-licht in hoge intensiteit wordt bestraald, kunnen de aanwezige bacteriën zich niet meer voortplanten en sterven ze af. “In principe is deze methode ideaal voor gebieden zonder functionerende watervoorziening of bijvoorbeeld in rampgebieden,” aldus Michael Kneissl. Traditioneel wordt het daarvoor benodigde UV-licht gegenereerd door zogenaamde kwikdamplampen – met de bekende nadelen van deze lampen: productie en verwijdering zijn arbeidsintensief, kwik is giftig, ze zijn gevoelig en hebben een korte levensduur. Voor gebruik op het zogenaamde ‘point of use’ – dus de directe toepassing vlak voor consumptie, zoals in ontwikkelingslanden of rampgebieden – zijn deze lampen nauwelijks geschikt. “UV-LEDs daarentegen zijn zeer robuust, niet giftig, schakelen snel en kunnen als halfgeleider ook op zonne-energie of met batterijen worden aangedreven – ideaal voor mobiel gebruik,” aldus Michael Kneissl.

1,8 miljoen euro voor nieuwe gasfasenepitaxie-installatie

Op het gebied van onderzoek en ontwikkeling van kortgolvige UV-LEDs met voldoende efficiëntie en vermogen worden Michael Kneissl en zijn team als toonaangevend in Europa beschouwd. “Om dit onderzoek verder te stimuleren, financiert het Duitse ministerie van Onderwijs en Onderzoek nu een aanvullende, circa 1,8 miljoen euro kostende installatie voor metallorganische gasfasenepitaxie (MOVPE) aan de TU Berlijn,” verheugt de wetenschapper zich. “Epitaxie-processen worden gebruikt voor de productie van uiterst dunne, kristallijne lagen, zoals die in de halfgeleiderproductie nodig zijn. Om de speciale LEDs te maken, moeten duizenden gedefinieerde, atomaardunne lagen op het drager-materiaal worden afgezet. Deze laagstructuur bepaalt uiteindelijk hoe efficiënt de ingangsstroom door de halfgeleider wordt omgezet in UV-licht. Afhankelijk van de gewenste golflengte worden verschillende lagen opgebouwd. De nieuwe installatie maakt het mogelijk om veel sneller en efficiënter componenten voor UV-LEDs te produceren en te testen,” beschrijft Michael Kneissl de uiterst arbeidsintensieve productie van de LEDs. “In onze recentste publicatie in Nature Photonics laten we zien dat de totale efficiëntie van UV-LEDs het product is van de verschillende deel-efficiënties. We kennen de afzonderlijke parameters en werken eraan deze te optimaliseren. In het laboratorium bereiken we al een vergelijkbare efficiëntie als conventionele UV-lampen,” aldus de natuurkundige.

Lichtdoping in de groenteteelt

De vele toepassingsmogelijkheden van UV-LEDs hebben onder andere geleid tot een intensieve samenwerking van het Leibniz-Instituut voor Groente- en Sierteelt, dat zich bezighoudt met gezonde voeding in de vorm van zogenaamd functioneel voedsel (voedingsmiddelen met bijzondere gezondheidsbevorderende stoffen). Met een proces dat kan worden omschreven als lichtdoping, wordt bladgroente bestraald met zwak gedoseerd UV-licht tussen 290 nm en 350 nm. Deze gereguleerde UVB-bestraling stimuleert gericht het secundaire metabolisme van de planten. Als reactie synthetiseren ze meer van bepaalde secundaire plantstoffen, die ook voor mensen als zeer gezond worden beschouwd. “Het Leibniz-Instituut voor Groente- en Sierteelt en het Ferdinand-Braun-Instituut werken samen aan de ontwikkeling van UV-LED-modules die het optimale UV-spectrum hiervoor leveren. Het doel is een vlakstraaler die in een kas kan worden ingezet om planten precies gedoseerd met een gedefinieerde golflengte te bestraald te worden,” aldus Michael Kneissl.