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May 29, 2023

Wie LED-Leuchten die Welt verändern werden, wenn die Glühbirnen auslaufen

Abgelegt unter: Der Nachfolger der Glühbirne fängt gerade erst an. Nach mehr als einem Jahrhundert Herrschaft musste die einstmals mächtige Glühbirne ihren Sockel-Thron aufgeben

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Der Nachfolger der Glühbirne fängt gerade erst an.

Nach mehr als einem Jahrhundert Herrschaft musste die einstmals mächtige Glühbirne Anfang des Monats ihren Sockel-Thron aufgeben.

Der seit mehr als 16 Jahren geplante Putsch fand am 1. August statt, als die Biden-Regierung endlich eine lange aufgeschobene Regelung im Rahmen des Energy Independence and Security Act von 2007 umsetzte. Die Regelung verbietet faktisch den Verkauf der meisten (aber nicht aller) Arten von Glühbirnen, dem klassischen Heißluftballon-Design, das seit den Tagen von Thomas Edison weite Teile des Planeten beleuchtet.

Der neue Monarch ist die Leuchtdiode oder LED, und sie steht vor einer dauerhaften Herrschaft. Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben Wissenschaftler, Ingenieure, Designer und politische Entscheidungsträger die LED zum Vorbild gemacht und sie dazu gebracht, alles zu tun, was eine Glühlampe leisten kann, allerdings mit einem Bruchteil der Energie. Eine LED-Glühbirne liefert die gleiche Lichtmenge wie eine Glühlampe, verbraucht jedoch 90 Prozent weniger Strom und hält 25-mal länger. Der Nobelpreis für Physik 2014 ging an die Wissenschaftler, die die blaue LED erfunden haben.

„Dies ist absolut eine Revolution auf Edison-Niveau in der Beleuchtungstechnologie“, sagte Morgan Pattison, Präsident von Solid State Lighting Services und Berater des Beleuchtungsforschungsprogramms des US-Energieministeriums.

Über die Nachahmung ihres Vorgängers hinaus bietet die LED-Technologie eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten und könnte es uns ermöglichen, unsere gesamte Beziehung zum Licht zu überdenken. LEDs sind grundsätzlich dimmbar. Sie lassen sich direkt in Oberflächen integrieren und verwandeln Wände und Decken in Lichtquellen. Auch ihr Stromverbrauch kann noch weiter sinken.

Aber eine der wichtigsten Eigenschaften der LED ist ihre Einstellbarkeit sowohl im Licht als auch in der Farbe. Die Optimierung des Schattens und des Lichtumfangs anstelle einer flächigen Beleuchtung könnte die Sicherheit, Produktivität, den Komfort und die Gesundheit verbessern. Wir fangen gerade erst an, die Möglichkeiten zu begreifen.

„LED-Beleuchtung hat unser Verständnis für den Einsatz von Beleuchtung im Allgemeinen übertroffen“, sagte Pattison. „Anstatt nur einen Ort mit Licht zu bestrahlen, können wir das Licht präziser abgeben.“

Diese verbesserte Kontrolle über die Beleuchtung könnte letztendlich die größte praktische Auswirkung von LEDs sein. Sie liefern nicht nur mehr Licht in höherer Qualität bei geringeren Energiekosten, sondern können auch dazu beitragen, die Dämmerung und Dunkelheit wiederherzustellen, die in unserer überbeleuchteten Welt verloren gegangen sind.

Warum war es so schwer, eine Glühbirne zu wechseln? Die Glühlampe hatte ein paar große Vorteile: Sie war einfach und billig. Es funktioniert, indem ein elektrischer Strom durch einen Glühfaden in einer Vakuumlampe geleitet wird, wodurch sich der Glühfaden erwärmt und zum Leuchten bringt.

Etwas komplizierter ist die LED, die 1962 von Nick Holonyak Jr. erfunden wurde. Es leuchtet auf, wenn ein elektrischer Strom durch eine Halbleiterdiode fließt. Eine Diode ist im Wesentlichen ein Rückschlagventil oder eine Einwegleitung für elektrischen Strom. Eine Leuchtdiode verwendet ein spezielles Halbleitermaterial, das Licht emittiert, wenn Elektronen durch es fließen.

Diese speziellen Materialien erhöhten die Kosten früherer LEDs und schränkten ihre Leistung im Vergleich zu Glühlampen ein. LEDs erzeugen allein auch kein weißes Licht. Eine weiße LED erfordert die Mischung verschiedener LED-Farben oder ein Material namens Phosphor, das Licht bei einer Wellenlänge absorbiert und bei einer anderen emittiert. LEDs benötigen oft einen Treiber, ein Gerät, das Hochspannungswechselstrom aus einer Steckdose in Gleichstrom mit einer niedrigeren, besser nutzbaren Spannung umwandelt.

Da LEDs jedoch Licht erzeugen, ohne viel Wärme zu erzeugen, haben sie einen inhärenten Vorteil gegenüber Glühlampen. Nur etwa 10 Prozent des in Glühbirnen verbrauchten Stroms werden in Licht umgewandelt. Der Rest geht als Wärme verloren.

Im Laufe der Jahrzehnte haben Ingenieure den Kosten- und Leistungsunterschied zwischen den beiden Lampen verringert, und LEDs haben überall dort, wo sie als Ersatz für herkömmliche Lampen eingesetzt wurden, den Energieverbrauch drastisch gesenkt. Im Jahr 2005 würde ein Gewerbegebäude etwa 40 Prozent seines Stroms für die Beleuchtung ausgeben. „Der Rückgang liegt derzeit zwischen 6 und 8 Prozent“, sagte Mark Lien, Präsident von Augmented Illumination und Berater der Illuminating Engineering Society.

In der Beleuchtungsindustrie sind Effizienz und Wirksamkeit die wichtigsten Kennzahlen (obwohl diese Begriffe häufig miteinander verwechselt werden). Die Beleuchtungseffizienz ist der Anteil des von einer Leuchte abgegebenen Lichts an der Gesamtlichtmenge einer Glühbirne oder einer anderen Lichtquelle, normalerweise ausgedrückt als Prozentsatz. Die Lichtausbeute ist die Lichtmenge, die eine Quelle für eine bestimmte Strommenge erzeugt. Sie wird normalerweise in Lumen pro Watt gemessen.

Glühlampen leuchten normalerweise mit etwa 17 Lumen pro Watt. Und weil sie in der Regel nur einen Lichtton abgeben, sind Glühlampen entweder voll eingeschaltet oder ganz ausgeschaltet, es sei denn, sie verfügen über eine spezielle Dimmervorrichtung oder zusätzliche Elektronik. Das bedeutet, dass Licht oft verschwendet wird, obwohl es für die jeweilige Aufgabe immer noch unzureichend ist.

Andererseits können derzeit auf dem Markt erhältliche LEDs etwa 70 Lumen pro Watt erzeugen. Hochleistungs-LEDs können bis zu 170 Lumen pro Watt erreichen, und das Energieministerium erklärte 2017, dass „ein Ziel von über 200 Lumen pro Watt erreichbar ist“. Zusammen mit ihrem breiteren Farbspektrum und ihren Dimmmöglichkeiten bieten LEDs eine viel vielseitigere Beleuchtungsoption als heiße Glühfäden in Gläsern.

Aus geschäftlicher Sicht führen weitere Verbesserungen jedoch zu sinkenden Erträgen. „Wir könnten mehr als 400 Lumen pro Watt erreichen“, sagte Lien. „Aber der Markt hat mittlerweile Preis- und Leistungsniveau akzeptiert.“ Der Wechsel von einer 60-Watt-Glühlampe zu einer 10-Watt-LED ist eine enorme praktische Verbesserung, aber der Wechsel von einer 10-Watt-LED zu einer 5-Watt-LED reicht möglicherweise nicht aus, um die zusätzlichen Kosten für Käufer zu rechtfertigen, noch die zusätzliche Recherche und Entwicklung von Herstellern.

Lien argumentiert jedoch, dass diese kleineren Verbesserungen immer noch notwendig seien, da der Strombedarf insgesamt steige und sich das Zeitfenster für die Begrenzung des Klimawandels schließe. Da immer mehr Elektrofahrzeuge aufgeladen werden und Geräte von Gas auf Elektro umsteigen, ist die Reduzierung des Strombedarfs an anderen Orten ein wichtiger Faktor für den Ausgleich des Stromnetzes. Und angesichts der Allgegenwart von Lichtern können kleine Verbesserungen zu enormen Energieeinsparungen führen.

Nach Angaben der Vereinten Nationen ist die Beleuchtung für 15 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs und 5 Prozent der Treibhausgasemissionen verantwortlich, während die International Energy Association feststellt, dass LEDs derzeit die Hälfte des weltweiten Umsatzes mit Wohnraumbeleuchtung ausmachen. Wenn es nicht zu einer größeren Umstellung auf effizientere Beleuchtung kommt, wird der weltweite Stromverbrauch für Beleuchtung nach Schätzungen der Vereinten Nationen bis 2030 um 60 Prozent steigen.

Auch in anderen Eigenschaften können LEDs an Boden gewinnen. Die Größe der Leuchten kann weiter verkleinert und auf recycelbarere oder biologisch abbaubare Materialien umgestellt werden. In Anwendungen wie Fernseh- und Computermonitoren wird die LED-Technologie einfach immer besser, und die LEDs, die viele Displays antreiben, könnten bald Quantenpunkt-LEDs ersetzen. Diese nanometergroßen Partikel, die in einen dünnen Film integriert sind, versprechen bessere Farben, Kontraste und Betrachtungswinkel und senken gleichzeitig den Stromverbrauch.

Neben LEDs gibt es noch weitere Technologien, die in den kommenden Jahren ebenfalls auf dem Vormarsch sein könnten, aber entweder nicht so vielseitig einsetzbar sind oder sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden. Bei der Laserdiodenbeleuchtung wird beispielsweise eine Diode verwendet, um einen kohärenten Lichtstrahl zu erzeugen. Sie kann eine höhere Leistung verarbeiten als herkömmliche LEDs und könnte in Anwendungen wie Autoscheinwerfern oder der Beleuchtung von Sportplätzen für Beleuchtung über weite Distanzen sorgen, auch wenn die Kosten weiterhin hoch sind.

Daher werden LEDs wahrscheinlich jahrzehntelang Bestand haben, allerdings in Formen, die wir uns noch nicht vorstellen können. „Das werden nicht die LEDs sein, mit denen wir heute zu tun haben“, sagte Lien. „Sie werden sich zu einem viel kleineren Staat entwickeln, der vielleicht nicht einmal mehr als die Quellen erkennbar ist, die wir jetzt haben. Man kann sie zu Stoffen verweben, man kann sie in dünne Folien integrieren.“ Anstatt also Lichter als diskrete Geräte zu verwenden, könnte die Beleuchtung zu einem integralen Bestandteil von Wänden, Decken, Gehwegen und Kleidung werden.

Die Umstellung der Energieversorgung von Glühlampen auf LEDs könnte Vorteile haben, die über Leuchten und Bildschirme hinausgehen. Ein Jahrhundert der sich rasch ausbreitenden Beleuchtung hat den Tag um mehr Stunden verlängert, mit enormen Vorteilen für die Produktivität und die menschliche Entwicklung, aber es hat die Dunkelheit zu einem kostbaren Gut gemacht. Die Lichtverschmutzung nimmt zu, mit Folgen für unseren Körper, die Wissenschaftler erst jetzt zu verstehen beginnen. Auch hier könnten sich LEDs als nützlich erweisen.

Der Körper verfügt über zwei unterschiedliche Bahnen, die Licht verarbeiten, erklärte George Brainard, Direktor des Lichtforschungsprogramms an der Thomas Jefferson University, in einem Interview. Das eine ist das visuelle System, das Beleuchtung und Farbe der Umgebung bewusst verarbeitet. Ein Großteil der Beleuchtung in der modernen Welt ist darauf ausgerichtet, das für unser bewusstes Sehen verfügbare Licht zu maximieren, aber das könnte unbeabsichtigte Folgen haben.

„Etwas, dessen wir uns weniger bewusst sind, ist die Tatsache, dass Licht, das ins Auge fällt, einen anderen Weg stimuliert, der die Biologie, das Verhalten und letztendlich die Gesundheit reguliert“, sagte Brainard. „Genauer gesagt steuert Licht die zirkadiane Regulierung, die hormonelle Regulierung und neuronale Verhaltensreaktionen.“

Da dieser Weg außerhalb unserer bewussten Wahrnehmung liegt, ist es für den Einzelnen schwierig einzuschätzen, wie Licht seinen Schlaf-Wach-Rhythmus, seine Stimmung und seinen allgemeinen Gesundheitszustand verändert. Aber die Auswirkungen könnten tiefgreifend sein. Es gibt bereits Hinweise darauf, dass die Einwirkung von blauem Licht von Telefonen, Tablets und Fernsehern am Abend das Ein- und Durchschlafen erschweren kann. Der breitere Einsatz von künstlichem Licht im Innen- und Außenbereich könnte noch wirkungsvoller sein.

Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation könnten eine nützliche Fallstudie sein: Man kann sich kaum vorstellen, dass Menschen unabhängiger vom natürlichen Licht sind als solche, die alle 90 Minuten einen Sonnenaufgang erleben. Viele Astronauten mussten Medikamente einnehmen, um ihnen beim Einschlafen zu helfen, aber die Raumfahrtbehörden sind besorgt über die langfristigen Auswirkungen dieser Medikamente, da die Aufenthalte von Wochen auf Monate angewachsen sind.

Brainard arbeitet mit der NASA zusammen, um die Auswirkungen der Umstellung von ständig eingeschalteten Leuchtstofflampen auf einstellbare LEDs in weiten Teilen der Raumstation zu untersuchen. „Es hat tatsächlich die visuelle Umgebung für die Astronauten verbessert, was eines der beiden Ziele war, und wir sind dabei, seine Auswirkungen auf Schlaf und Aufmerksamkeit sowie andere biologische Reaktionen zu untersuchen“, sagte Brainard.

Für den Rest von uns vor Ort gibt es möglicherweise anwendbare Lektionen für Schulkinder, Schichtarbeiter oder Patienten mit langen Krankenhausaufenthalten, Menschen, die oft aufwachen und außerhalb des typischen Tag- und Nachtzyklus Lichter sehen müssen. Und es gibt immer mehr Forschungsergebnisse, die zeigen, dass die Exposition gegenüber bestimmten Arten von künstlichem Licht zu Problemen wie Fettleibigkeit, Schlafstörungen, Angstzuständen und Bluthochdruck beitragen kann. Mittlerweile wird Beleuchtung bereits als Therapie bei saisonalen Depressionen und Depressionen eingesetzt.

Aber es wird Jahre dauern, um zu messen, welchen Nutzen wir aus der Umstellung auf LEDs und der Anpassung der Beleuchtung in der realen Welt für eine breite Bevölkerung ziehen werden. „Es wird Jahrzehnte dauern, bis die Daten ausgeschüttet werden“, sagte Brainard.

Wie können wir LEDs jetzt intelligenter einsetzen?

Eine Möglichkeit besteht darin, darüber nachzudenken, die Beleuchtung besser an die natürlichen Lichtzyklen anzupassen. „Es geht lediglich darum, Lebensstile an das anzupassen, was wir bereits wissen“, sagte Mark Rea, Professor am Light and Health Research Center der Icahn School of Medicine am Mount Sinai. „Wenn ich es zu stark vereinfachen könnte, läuft es auf helle Tage, trübe Abende und dunkle Nächte hinaus.“

Es hilft auch, bei der Beleuchtung weniger daran zu denken, wie viel auf Wände und Schreibtische fällt, sondern vielmehr daran, wie viel in unserer Vision enthalten ist. „Die Lichtmenge am Auge ist das Wichtigste“, sagte Rea. Die Optimierung und Kalibrierung der Beleuchtung basierend auf dem, was ins Auge fällt, anstatt einen Raum zu überfluten, könnte dazu beitragen, die insgesamt benötigte Lichtmenge zu reduzieren und sie gleichzeitig effektiver zu machen. LEDs sind dimmbar, sodass sie mit der richtigen Leuchte die Möglichkeit bieten, eine „Mikrolichtumgebung“ zu schaffen, in der ein Arbeiter, Student oder Patient die Beleuchtungsstärke auf das für sie optimale Maß einstellen kann.

Im Freien könnten LEDs dimmen und leuchten, wenn jemand vorbeigeht oder fährt, anstatt jede Straße in ein allgegenwärtiges Licht zu tauchen. Sie könnten auch ihre Farbtemperatur von kühlem Weiß am Tag zu Bernstein am Abend ändern. Die Eindämmung der Lichtverschmutzung im Freien trägt auch zur Verbesserung der Gesundheit bei.

Die Zukunft der Beleuchtung besteht also nicht nur darin, das meiste Licht mit dem geringsten Energieverbrauch zu erhalten, sondern vielmehr darin, das richtige Maß an Hell und Dunkel, in der richtigen Farbe, zur richtigen Zeit zu erhalten. Es ist eine Zukunft, in der wir immer noch Strom sparen und unsere Lebensqualität verbessern können, damit wir alle tagsüber mehr erledigen und nachts besser schlafen können.

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