Pictures of the Future   Herbst 2007

Leuchtende Vorbilder

Stromverbrauch senken, Schadstoffe verbannen, Lebensdauer erhöhen: Das sind die Ziele der Entwickler bei der Siemens-Tochterfirma Osram. Eine bunte Palette umweltfreundlicher Lösungen belegt den Erfolg dieser Strategie.

Diese Lichtquellen sind klein wie ein Staubkorn, aber groß in ihrer Umweltfreundlichkeit: Leuchtdioden, LED (Light Emitting Diodes). Sie verbrauchen nur ein Fünftel des Stroms herkömmlicher Glühlampen und halten 50-mal länger. Zudem sind sie, anders als konventionelle Energiesparlampen, quecksilberfrei. Der Siegeszug weiß strahlender LED hat längst begonnen (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2007,  Evolution des Lichts).

Der Star am LED-Himmel ist die "Ostar Lighting". Ihre Leuchtkraft beträgt 1000 lm – heller als eine 50-W-Halogenlampe – und sie stellt mit einer Lichtausbeute von etwa 70 lm/W Glühlampen (15 lm/W) buchstäblich in den Schatten. In ihr stecken sechs LED-Hochleistungschips mit Flächen von je 1 mm². "Damit haben wir eine sehr große Leuchtfläche geschaffen", erklärt Projektleiter Dr. Steffen Köhler von Osram Opto Semiconductors in Regensburg. Im Gegensatz zum Miniaturisierungstrend in der Elektronikbranche sollten LED für die Allgemeinbeleuchtung möglichst groß sein, damit sie viel Licht liefern.

Dass dies nicht leicht zu bewerkstelligen ist, liegt am "Herz" der LED: eine Kombination unterschiedlich dotierter, also mit Fremdatomen gespickter, Halbleiterkristalle. Die müssen ganz rein und auf atomarer Ebene regelmäßig aufgebaut sein. Je größer aber die Kristalle sind, desto wahrscheinlicher sind Unreinheiten oder Unregelmäßigkeiten und desto schlechter klappt dann die Umwandlung von elektrischer in Lichtenergie. Dennoch ist Köhler optimistisch, noch effizientere und größere Chips kreieren zu können: "2 000 lm sind durchaus drin."

Wichtig für effiziente LED sind die Farbstoffe, die in dünnen Schichten auf die eigentliche Lichtquelle aufgebracht werden, um das blaue Licht der LED-Chips in weißes zu verwandeln. Der Osram-Forscher Dr. Martin Zachau ist Experte in der Herstellung von gelben oder orange-rötlichen Farbstoffteilchen, die pulverisiertem Gold gleichen. Über die Korngröße steuern die Forscher seines Teams die Streueigenschaften der Teilchen und können so das ausgesendete Licht dirigieren. Über die chemische Zusammensetzung optimieren sie die Effizienz und sie erhöhen die Stabilität der Leuchtstoffe, indem sie diese mit schützenden Hüllstoffen versehen.

Mit neuen Leuchtstoffsystemen will Zachau ein Manko des weißen LED-Lichts beheben: Es gibt Farben nicht ganz naturgetreu wieder, weil es anders als Sonnen- oder Glühbirnenlicht nur blaue und gelbe Strahlungsanteile hat. Die neuen Systeme jedoch sollen Teile des blauen LED-Lichtes nicht nur in gelbes, sondern auch in grünes und rotes Licht verwandeln. "Dann enthält das Spektrum der LED wie das Sonnenlicht alle Farben, und wir können eine hervorragende Farbwiedergabe erreichen", erklärt Zachau.

Um die Leuchtstoffentwicklung zu forcieren, setzt Dr. Ute Liepold von Siemens Corporate Technology in München auf die "kombinatorische Chemie" (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2003,  Kombinatorik und Simulation). Dazu nutzt sie ein postkartengroßes, durchlöchertes Metallblech, in dem bis zu 96 winzige Tiegel mit unterschiedlichen Pulvermischungen stecken. Im Ofen geglüht entstehen daraus neue Leuchtstoffe. Ein computergesteuerter Manipulator wiegt die Ausgangssubstanzen ab und platziert die Tiegel auf dem Probenhalter. Der Vorteil: Pro Tag lassen sich so mehrere hundert Proben herstellen. "Eine große Herausforderung ist es, die immensen Datenmengen geschickt zu verwalten und auszuwerten", betont Liepold. Ziel des Screenings sei es, möglichst viele Zusammensetzungen in kurzer Zeit zu testen.

Lampen ohne Quecksilber. In Xenonlampen für Autoscheinwerfer wird dem Edelgas Xenon in der Regel etwas Quecksilber beigemischt, das bei der Betriebstemperatur gasförmig ist. Die Quecksilberatome werden im Plasma der Gasentladungslampen dank ihres größeren Durchmessers leichter von Elektronen getroffen. Weil sie Licht aussenden, das nahe am sichtbaren Bereich liegt, sind die Verluste bei der Umwandlung in weißes Licht sehr gering. Zudem bildet Quecksilber einen chemischen und einen thermischen Puffer – es verhindert unerwünschte Oxidationsprozesse und leitet Wärme gut ab.

Da sich giftiges Quecksilber jedoch in der Umwelt anreichern kann und deshalb laut EU-Verordnung auch im Automobilbereich möglichst vermieden werden soll, suchen Forscher intensiv nach Alternativen. Vor gut einem Jahr hat Osram nun "Xenarc Hg-free"-Lampen auf den Markt gebracht. Statt Quecksilber enthalten sie das ökologisch unbedenkliche Zinkjodid. "Die Entwicklung war schwierig", berichtet der für Xenarc-Systeme zuständige Marketingleiter Christian Wittig. "Wir mussten die gesamte elektronische und optische Umgebung auf die neue Technologie einstellen." So fließen in dieser Xenonlampe höhere Ströme, die Bauteile und Elektronik stärker belasten. Deshalb musste Osram dickere Elektroden und dickeres Quarzglas verwenden. "Dadurch wird die Produktion etwas komplizierter, doch die ökologische Bilanz bleibt positiv", sagt Wittig. Autohersteller wie Audi, Ford und Toyota haben die neuen Lampen bereits im Einsatz.

Fassungslos. Nicht ganz ohne Quecksilber, doch mit weniger als 3 mg je Lampe, kommen Osram-Energiesparlampen aus. "Es ist fast unmöglich, so kleine Mengen des flüssigen, aber schweren Metalls noch in Tropfen zu dosieren. Das Quecksilber wird deshalb an Eisenpulver gebunden, um es in der richtigen Dosis in die Lampe zu bekommen", erklärt der Osram-Umweltexperte Dr. Ralf Criens. Für die Ökobilanz sei die Lebensdauer besonders wichtig. Schließlich falle umso weniger Quecksilber an, je länger die Lampe halte und je seltener sie ausgetauscht werden müsse. Deshalb haben Osram-Forscher die besonders langlebigen Energiesparlampen "Dulux EL LongLife" entwickelt, die 15 000 Stunden lang leuchten können.

"Auch bei der Konzeption neuer Lampen ist es wichtig, ihre Lebensdauer zu berücksichtigen und stets in Systemen zu denken", betont Criens. Für Dauerbrenner wie die weißen LED mit bis zu 90 000 Stunden Leuchtzeit hat er eine besondere Lösung parat. Zu konkurrenzfähigen Preisen sollen Steh-, Tisch- oder Hängeleuchten entstehen, die keine Fassungen mehr besitzen und LED als fest montiertes Inventar enthalten. Aus der Fassung geraten könnten dann nur noch die Kunden, die sich über das helle, umweltfreundliche und langlebige Licht freuen.
                                                                                                          Andrea Hoferichter