Die Energiequelle der Zukunft, die Supraquadrode.

Was ist ein Magnetfeld? Was ist ein elektrisches Feld? Fragen, die jeden wissenschaftlich Interessierten tagtäglich beschäftigen. Die Wirkungen kennt so gut wie jeder. Alle nutzen den elektrischen Strom, mit Dauermagneten spielen die Kinder schon in frühster Jugend. Gedanken, wie jetzt genau ein Magnetfeld funktioniert macht sich im Grunde genommen keiner, wenn er seiner Lieblingsmusik aus den kleinen Kopfhörern lauscht. Und doch benutzt er sie beide, diese seltsamen, unerklärlichen Kräfte – das Magnetfeld und die Elektrizität. Ohne diese beiden Kräfte funktioniert kein Kopfhörer.

In der Jugendzeit hat man schon einmal einen Lautsprecher zerlegt, die Komponenten auseinandergebaut. Am wichtigsten war der Dauermagnet – mit dem konnte man so gut spielen und Stahlteile magnetisch machen. Dann wurde der Magnet irgendwo an den Stahlträger des Bücherregals gehängt – und praktisch vergessen.

Jetzt, 40 Jahre danach, beim Umräumen, entdeckt man den Magnet an dem Stahlträger. Der hat sich tatsächlich so lange dort mit seinen Kräften festgehalten – was für eine Energie muss in dem kleinen Ding stecken? Wenn ich versuche, mich an einem Ast hochzuziehen und festzuhalten, dann geht das nicht lange, bis die Kräfte nachlassen. Der Magnet allerdings ist nach den vielen Jahren so „stark“ wie eh und je.

Nun lerne ich, wie in einem Transistor eine natürliche Diffusionsspannung entsteht – das erinnert mich sofort an die geheimnisvolle Kraft des Magneten. Dieses mal ist es eine elektrische Spannung, und kein Magnetfeld, was sich da im Innern so eines Kristalls bildet.

Die Magnetfelder nutzen die Menschen in der Technik praktisch überall. Ein Dauermagnetfeld „verbraucht“ sich auch nicht, wenn es in einem Gleichstrommotor dafür sorgt, dass es zusammen mit der Elektrizität die Motorwelle dreht.

Wie sieht es nun mit dieser „Diffusionsspannung“ aus? Richtig, die kann man auch nicht verbrauchen. Im Ruhezustand bildet sie in einem dotierten Siliziumkristall 0,7 Volt und in einem dotierten Germaniumkristall 0,3 Volt. Es bildet sich durch das dadurch entstehende elektrische Feld umgerechnet eine Feldspannung von 1 Million Volt pro Meter – eine gigantische Kraft.

Durch diese Kraft bildet sich eine hauchdünne Sperrschicht im Größenbereich des Bruchteils eines Tausendstels Millimeters und ist in der Lage, selbst Ströme von Hunderten von Amperen einfach zu sperren. Erst wenn die Gegenspannung 0,7 Volt bei Silizium oder 0,3 Volt bei Germanium überschreitet, wird die Sperrschicht auf Null zurückgedrängt und das Heer von Elektronen darf ungehindert fließen.

Fest steht, dass im Ruhezustand eine Ladungstrennung von 0,7 Volt bei Silizium und 0,3 Volt bei Germanium besteht. Das ist wie bei dem Dauermagnet – der hat ja auch im Ruhezustand sein Magnetfeld.

Jetzt kann kann man aber diese Diffusionsspannung ausser zur Steuerung der Sperrschicht nicht nutzen – die Ladungstrennung lässt sich nicht nach aussen führen, man kann sie nur durch Anlegen einer Aussenspannung vergrößern oder verkleinern. Das wäre fantastisch, wenn man diese natürliche Diffusionsspannung ähnlich einer Batterie „abzweigen“ und nutzen könnte. Warum eigentlich nicht?

Wenn ich genau dort, wo die höchste Ladungsdichte bei einem dotierten Siliziumkristall herrscht, einen dotierten Germaniumkristall antiparallel „andocke“, dann wird die Diffusionsspannung vom Germaniumkristall überschritten und die Sperrschicht vom Germanium wird leitend. Da die Diffusionsspannung von Silizium aber noch um 0,4 Volt höher liegt, fließt jetzt über den Germaniumkristall ein Ausgleichsstrom. Zurück können die Elektronen nicht mehr, weil der Germaniumkristall in „Rückwärtsrichtung“ praktisch sperrt – jeder Strom in Rückwärtsrichtung vergrößert die Sperrschicht wieder. An den Ausgangsklemmen so eines „kombinierten“ Bauteiles, würde eine Ladungstrennung von 0,4 Volt entstehen – praktisch eine natürliche Batterie.

Ich will dieses Bauteil einfach Superquadrode nennen – denn es besteht aus 4-fach mit Phosporatomen und Aluminiumatomen dotierten aufgebauten Silizium- und Germaniumkristallen.

Im Grunde genommen eine sehr einfache Geschichte in der Funktionsweise, physikalisch aber recht schwierig herstellbar. Es wird der Effekt der natürlichen Diffusionsspannung von dotiertem Germanium und dotiertem Silizium ausgenützt. Man schaltet die Diffusionsspannung von Silizium mit 0,7 Volt antiparallel zu Germanium mit 0,3 Volt und erreicht dadurch eine stetige Schwellenspannung von 0,4 Volt.

Schaltet man nun 30 dieser Supraquadroden in Reihe hintereinander, dann entsteht an den Endpolen eine Spannung von 12 Volt (30 x 0,4 Volt = 12 Volt). Das bedeutet natürlich, dass dies die Leerlaufspannung darstellt. Abhängig von der Belastung müsste man je nach Baugröße eine höhere Grundspannung einrichten und diese dann entsprechend stabilisierend ausregeln. Rechnerisch wird sich bei einer Lastbeaufschlagung eine tatsächlich nutzbare Klemmenspannung von 0,2 Volt pro Zelle einstellen.

Da sich bei den Materialien rechnerisch 0,3 bis 0,7 Millionen Volt pro Meter aufgrund physikalischer Eigenschaften zur Sperrschichtbildung einstellen, entsteht in der Supraquadrode ein sehr hohes natürliches elektrisches Feld. Die Supraquadrode wirkt praktisch wie eine natürliche „Elektronenpumpe“.

Das Sensationelle ist die lange Lebensdauer einer Supraquadrode. Genauso wenig wie man ein Magnetfeld von einem Dauermagneten „verbrauchen“, sondern nur „nutzen“ kann, wird sich das Material der Supraquadrode bei diesem Effekt ebenfalls nicht „verbrauchen“. Es ist praktisch eine natürliche Batterie mit sehr langer Lebensdauer und dies bei sehr kleiner Baugröße.