Licht & Displays – Trends

Genauso wie Leuchtstofflampen erzeugen HID-Lampen Licht durch Gasentladungen und die Anregung von verschiedenen Metallverbindungen (siehe Tabelle am Ende des Beitrags). Doch anders als die Leuchtstofflampen arbeiten HID-Lampen bei einem viel höheren Druck und kommen im Allgemeinen ohne Phosphorbeschichtung aus. Sie leuchten wesentlich heller, als es für den Hausgebrauch nötig wäre, aber für Orte, an denen viel hochwertiges Licht gebraucht wird, sind sie ideal.

Wird eine HID-Lampe eingeschaltet, so entsteht ein Lichtbogen – ein Strom geladener Partikel – zwischen zwei Wolfram-Elektroden. Das Gas im Quarzglaskolben erhitzt sich auf eine Temperatur von 1 200 °C und wird zu Plasma. Diese Betriebstemperatur ist hoch genug, um Metallverbindungen verdampfen zu können. Die Metallatome, etwa Natrium, und andere Substanzen wie Metall-Halide stoßen mit den Elektronen im Plasma zusammen und emittieren Photonen, die wir als sichtbares Licht wahrnehmen.

HID-Lampen strahlen viel weißes Licht ab – bis 120 lm/W. Im Vergleich dazu produzieren konventionelle Glühlampen und auch Halogenlampen nur 6 bis 24 lm/W, während Niederdruck-Entladungslampen, also Leuchtstofflampen, immerhin bis 104 lm/W erzeugen. Entladungslampen sind wegen ihrer höheren Effizienz umweltfreundlicher als Glühlampen. Doch beide – Leuchtstoff- und HID-Lampen – haben einen Nachteil: Sie benötigen Quecksilber, ein biologisch nicht abbaubares Gift.

In Leuchtstoffröhren z.B. sind geringe Mengen an Quecksilberdampf nötig, weil dieser fast 75 % der elektrischen Energie, die die Lampe aufnimmt, in ultraviolette Strahlung umsetzt. Diese wiederum wird von der Phosphorbeschichtung der Lampe in sichtbares Licht umgewandelt. In HID-Lampen wird das Quecksilber benötigt, um Metallatome unter hohem Druck dazu zu bewegen, Photonen zu produzieren und das Gas zu stabilisieren. Insgesamt werden in diesen Lichtquellen bis zu 35 % der elektrischen Energie in sichtbares Licht umgewandelt. Quecksilber macht also die Lampen zu sehr effizienten Strahlern, doch es ist umweltschädlich. Darum sind die Forscher der OSRAM GmbH, einer hundertprozentigen Siemens-Tochter und einem der weltweit führenden Hersteller von Beleuchtungsprodukten, entschlossen, Alternativen zu suchen.

Eine Zukunft ohne Quecksilber? "Wenn es uns gelingt, eine Technologie zu entwickeln, bei der diese Lampen bei gleicher Lumenleistung ohne Quecksilber funktionieren, würden wir der Umwelt, den Herstellern und den Verbrauchern einen großen Gefallen tun. Denn die Entladungslampen müssten dann nicht recycelt werden", sagt Scott Butler, der bei der US-Zentrale von OSRAM in Beverly, Massachusetts, im Bereich Forschung und Entwicklung das HID Systems Labor leitet.

Interessanterweise überschneidet sich das Ziel der Lichtindustrie, quecksilberfreie Produkte zu entwickeln, mit einem anderen wichtigen Trend, nämlich der Entwicklung elektronischer Systeme zur Steuerung der in den Lampen stattfindenden Prozesse. Wenn man Dr. John Gustafson, der bei OSRAM in den USA für die Forschungsaktivitäten zuständig ist, fragt, was er für die aufregendste Entwicklung hält, antwortet er: "die Elektronik. Um in Zukunft auf Quecksilber verzichten zu können, entwickeln wir elektronische Systeme, die das Strömungsverhalten der Gase beeinflussen. Die Feinabstimmung der Elektronik ist eine Möglichkeit, ohne Quecksilber zu arbeiten und trotzdem eine starke Weißlichtquelle zu haben."

Um dies zu erreichen, haben die OSRAM-Forscher das Vorschaltgerät durch ein elektronisches Äquivalent ersetzt, das nur ein Drittel des Gewichts hat. Es bestand in der Vergangenheit im Wesentlichen aus einer Kupferspule mit Eisenkern und diente dazu, die Lampe zu zünden und den Strom zu begrenzen. Im Inneren des neuen elektronischen Vorschaltgeräts ist unter anderem ein Mikrochip, der, so Butler, "das Temperaturprofil im Gas ändern und es homogener gestalten kann. Auch lässt sich der Gasfluss durch elektrische Pulse steuern, was die Effizienz erhöht. Wir denken, dass es damit mittelfristig möglich sein sollte, quecksilberfreie HID-Lampen herzustellen, die in Effizienz, Leistung und Farbwiedergabe den heutigen nicht nachstehen."

Transparente Keramik. Tatsächlich hat sich die Simulation bei der Powerball HID-Metalldampflampe von OSRAM bereits bewährt. Der Keramikbrenner der Lampe – ein Kolben, in dem sich der Lichtbogen und die Gase befinden – ist der erste auf dem Markt, der nicht zylindrisch, sondern wie eine Kugel geformt ist. Dies ermöglicht viel höhere Temperaturen als bei den alten Quarzkolben, da Keramiken mehr Hitze aushalten als Quarz und da die Kugelform eine viel gleichmäßigere Temperaturverteilung ermöglicht als ein Zylinder. "Durch die höhere Temperatur erhalten wir während der gesamten Lebensdauer eine bessere Farbwiedergabe und mehr Licht – bei gleichem Energieverbrauch", erklärt Butler.

Die OSRAM-Forscher in Beverly, Berlin und München haben aber mit Powerball noch mehr vor. Derzeit leuchtet der Keramikkolben z.B. in mattem milchigem Weiß: hervorragend, wenn es um Beleuchtung geht. Wäre der Brenner jedoch transparent, könnte er auch für Scheinwerfer oder Beamer eingesetzt werden, also in den schnell wachsenden Anwendungsfeldern der Kfz-Industrie und der Präsentationstechnik. Nur: Wie macht man eine Keramik transparent? Heute werden die Kolben aus Keramikpartikeln hergestellt, die miteinander verschmolzen werden. Aber jedes dieser Teilchen streut das Licht. "Wir müssen die Partikel entweder so klein machen, dass sie zur Lichtstreuung nicht beitragen", sagt Gustafson, "oder so groß, dass sie sich ähnlich wie Saphirkristalle verhalten. Hier geht es also nicht darum, dass die HID-Lampe mehr Licht abgibt, sondern, dass wir das Licht dort konzentrieren, wo es gebraucht wird."

Wie das Licht der Keramikbrenner scheinen für den Laien auch die Forschungsaktivitäten der Lichtindustrie noch keinen klaren Fokus zu haben. Doch es zeichnen sich durchaus Trends ab, die Schwerpunkte setzen: Lampen werden künftig kleiner, leichter, energieeffizienter und umweltfreundlicher, können besser gedimmt werden sowie länger und zuverlässig weißes Licht produzieren. Ein wichtiger Trend ist auch die Entwicklung hin zu Lampen, die intelligent vernetzt sind und sich je nach Anforderung steuern lassen. Die nötigen Lichtsensoren und Kommunikationsstandards für dieses Lichtmanagement gibt es bereits. "Bisher wurde von unserer Innenbeleuchtung, besonders am Arbeitsplatz, nicht erwartet, dass sie wie natürliches Licht sein soll oder sich unserem Tagesrhythmus anpasst. Doch dies ändert sich zur Zeit und wir bewegen uns auf ein neues Konzept zu, das wir Adaptive Beleuchtung nennen", erklärt Dr. Reinhard Weitzel, Leiter der Lichtquellen-Forschung in München.

Es geht dabei um eine Verschmelzung von künstlichem und natürlichem Licht, wobei sich die kombinierten Lichtquellen nach dem Tageslichtverlauf und den Bedürfnissen der Menschen verändern sollen. Eine solche Technologie würde, sagen Arbeitspsychologen, unser Wohlbefinden und unsere Arbeitsleistung steigern (siehe Beitrag Architektur des Lichts). Damit nicht genug: Allein in den USA beläuft sich die durch Licht verursachte Energienachfrage auf etwa 60 GW Leistung; jedes Gigawatt entspricht dem jährlichen Verbrauch von 4 Mio. t Kohle. Würden also die Lampen im Büro, der Fabrik oder zu Hause je nach Sonneneinstrahlung automatisch gedimmt, könnte viel Energie gespart werden.

Quecksilberfreie Flachlampe. Auch die Erforschung quecksilberfreier Produkte macht sich schon bezahlt. Planon‚ eine revolutionäre Flachlampe mit weißem Licht, ist zu 100 % quecksilberfrei. Sie wurde kürzlich von OSRAM auf den Markt gebracht, etwa für die sehr gleichmäßige Hinterleuchtung von Flachbildschirmen. Die Planon ist zwar nicht so hell wie konventionelle Leuchtstofflampen, leuchtet aber dank eines patentierten Verfahrens der gepulsten Anregung 100 000 Stunden lang – bei gleichbleibend hoher Lichtleistung. Um die Helligkeit zu verbessern, arbeitet OSRAM – gefördert vom deutschen Forschungsministerium – an neuen Phosphoren, die ein ultraviolettes Photon absorbieren und dafür zwei Photonen im sichtbaren Wellenlängenbereich abstrahlen. "Davon träumt die Lichtindustrie seit Jahren", sagt Weitzel, "aber noch sind wir weit davon entfernt."

Inzwischen überlegen die OSRAM-Forscher auch, Leuchtdioden (LED) in Entladungslampen einzubauen, um deren Farbwiedergabe nach Wunsch beeinflussen zu können. "Das Problem dabei ist, dass LED die hohen Temperaturen, die in einigen Bereichen der Leuchtstoffröhre herrschen, nicht vertragen", erklärt Weitzel. Doch auf anderen Gebieten sind LED bereits dabei, die Beleuchtung zu revolutionieren (siehe Beitrag Ganz schön helle). Schon heute findet man sie vielerorts – vom Anzeigelämpchen im Computer oder Auto über Ampeln bis zum Handy-Blitzlicht.