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Bringing light to life
Faszination Licht
Licht ist Lebensquell und Inspiration, allgegenwärtig und doch mysteriös. Seit Menschen in der Lage sind, ihren Platz in der Welt zu hinterfragen, wird die Sonne als Spender von Wärme und Licht verehrt. Selbst wenn wir unseren Stern heute nicht mehr als Gott anbeten, so beschäftigt Licht immer noch die klügsten Köpfe unserer Zeit, denn über allem schwebt die Frage nach dem Wesen des Lichts.
Quelle: Horst Frank @wikimedia.org (CC BY-SA 3.0)
Was ist Licht?
Elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge zwischen 380 nm und 780 nm bezeichnet man als Licht bzw. Farbspektrum, denn nur diesen Bereich elektromagnetischer Strahlung können Menschen mit ihren Augen wahrnehmen. Licht kann man aber auch als Quantenobjekt auffassen, dass sich aus vielen Elementarteilchen zusammensetzt, die eine Masse von 0 besitzen und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese Energiequanten werden als Photonen bezeichnet, die je nach Betrachtungsweise sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften aufweisen. Der "Welle-Teilchen-Dualismus" des Lichts und seine Erforschung haben u.a. zur Quantenfeldtheorie geführt, mit der sich die beobachteten Phänomene erklären lassen. Licht beschäftigt aber nicht nur theoretische Physiker sondern vor allem auch clevere Erfinder.
Geschichte der Glühlampe
Belege für erste Glühlampen finden sich bereits Anfang des 19. Jahrhundert, wobei schon 1801 nachgewiesen werden konnte, dass mit Strom zur Glut gebrachte Metalldrähte, Licht emittieren. Packt man den Draht in ein Vakuum, kommt es mangels Sauerstoff nicht zur Verbrennung. Allerdings vergingen von der ersten Idee bis zur weltweiten Revolution noch viele weitere Jahrzehnte. Dabei galt es zum einen, das Vakuum zu verbessern und zum anderen auch neue Metalle mit höherem Schmelzpunkt zu finden. Die Lebensdauer erster Glühlampen war nämlich alles andere als überzeugend. Thomas Alva Edison hat mit zahlreichen Verbesserungen seinen Beitrag geleistet, Glühlampen als Massenprodukt zu fertigen und OSRAM war in Person von Carl Auer von Welsbach ganz früh mit von der Partie. Von Welsbach gelang es nämlich, das spröde Wolfram und das schwierig zu verarbeitende Osmium so zu verbinden, dass Glühdrähte mit bis dato ungekannter Haltbarkeit möglich waren. Der Name OSRAM weist noch heute auf diesen entscheidenden Schritt in der Lichtentwicklung hin.
Glühlampen sind so genial, das sich am prinzipiellen Aufbau auch heute wenig geändert hat. Noch immer findet man die teilweise als Glühbirnen bezeichneten Leuchtmittel z.B. in Signallampen für die Blinker sowie als Lampen für Kofferraum oder Handschuhfach sowie in fast jedem Haushalt. Energiesparlampen und vor allem moderne LED-Technologie löst die kleinen Heizkörper aber derzeit ab, denn trotz aller Verbesserungen gelten Glühlampen zurecht als ineffizient. Ein Großteil der ausgestrahlten Energie wird nämlich nicht als Licht emittiert, sondern als Wärmestrahlung im Infrarotbereich abgegeben. Nur ca. 5% des eingespeisten Stroms stehen damit als Lichtausbeute zur Verfügung.
Vorteile von Halogenglühlampen?
Um den Wirkungsgrad normaler Glühlampen zu verbessern, kann man die Glühtemperatur erhöhen, allerdings geht dies zulasten der Haltbarkeit. Um auch bei Betriebstemperaturen von bis zu 3100 Kelvin eine Lebensdauer zwischen 2.000 und 5.000 Stunden zu erreichen, wird bei Halogenglühlampen der Glaskolben durch Quarzglas ersetzt und das Halogen Iod eingefüllt. Das Iod reagiert mit den durch die Hitze verdampften Wolfram-Atomen und verhindert, dass sich diese an dem Glaskolben niederschlagen. Die kompakte Bauform erlaubt zudem einen höheren Betriebsdruck, wodurch das Abdampfen der Glühwendel reduziert wird. In der Konsequenz ist die Halogenglühlampe effizienter, strahlt weißeres Licht ab und ist zudem noch langlebiger als andere Glühlampen. Halogenlampen sollte man jedoch nie am Glaskolben anfassen, da sich durch das Fett im Betrieb lokale Temperaturunterschiede ergeben können, die die Lebensdauer beeinträchtigen. Defekte Halogenglühlampen weisen meist einen gerußten Glaskolben und eine geschmolzene Glühwendel auf.
Wie funktionieren Xenon-Lampen?
Leuchten mit Halogenglühampen sind immer noch weit verbreitet, doch ein nicht unerheblicher Teil der Neuzulassungen in Deutschland rollt mit Xenon-Scheinwerfern auf die Straße. Im Unterschied zu Glühlampen besitzen Xenon-Lampen keinen Glühdraht mehr. Stattdessen wird zwischen den Wolfram-Elektroden ein Gemisch aus dem Edelgas Xenon sowie unterschiedlichen Metallhalogeniden erhitzt und ionisiert. Je nach Zusammensetzung kommen dabei u.a. Quecksilber, Natrium sowie seltene Erden zum Einsatz, die bei Zimmertemperatur sowohl fest, flüssig als auch gasförmig vorliegen können. Xenon-Lampen sind deutlich heller als Halogenglühlampen, dabei besitzen sie eine geringere Leistungsaufnahme und höhere Lebensdauer. Zudem kommt das Licht dem Tageslicht mit seiner hohen Farbtemperatur sehr nahe und die kontrastverstärkende Wirkung hilft, Gefahren im Straßenverkehr besser wahrzunehmen.
OSRAM XENARC Night Breaker Laser für Autos mit Xenonlicht.
Andererseits wird auch ein Zündgerät benötigt, dass den Lichtbogen zwischen den Wolfram-Elektroden durch Hochspannung erzeugen muss. Um die Zündspannung der Lampen zu reduzieren, wird das Gemisch idealerweise vorher ionisiert. Dies kann u.a. durch radioaktive Elemente wie Thorium oder Krypton erfolgen. Die Strahlenbelastung ist dabei aber äußerst gering. Nach dem Zünden der Lampe, erwärmt sich der Xenon-Brenner und alle Bestandteile des Gemisches verdampfen. Durch die unterschiedlichen Schmelztemperaturen der Elemente kann es nun zu einem Farbumschlag kommen. Moderne Xenon-Brenner erreichen ihre Betriebstemperatur aber bereits nach wenigen Augenblicken. Die XENARC NIGHT BREAKER LASER von OSRAM gehört zu diesen Performance-Lampen und bietet einen bis zu 250 Meter weit reichenden Lichtkegel.
In Zukunft LED-Scheinwerfer?
Kurz gesagt: Ja! Licht emittierenden Dioden gehört nicht nur die Zukunft sondern bereits die Gegenwart. Scheinwerfer mit den Halbleiter-Bauelementen gibt es aktuell in Ausführungen, bei denen entweder nur die Zusatzfunktionen wie z.B. die Blinker oder das Tagfahrlicht mittels LEDs realisiert werden oder nur das Abblendlicht. Auch Voll-LED-Scheinwerfer sind bereits auf dem Markt und überzeugen durch eine extrem lange Lebensdauer der Leuchtmittel. Die Leuchtdioden selbst verbrauchen zudem nur einen Bruchteil der Energie einer Glühlampe. Ein großer Teil steht direkt als sichtbares Licht zur Verfügung und die Verluste durch Infrarotstrahlung oder ultraviolettes Licht sind gering. Die einzelne Diode emittiert in einem sehr schmalen Frequenzbereich so dass Rot, Blau und Grün kombiniert werden müssen, um weißes Licht zu erzeugen. Teilweise kommt auch photolumineszierender Farbstoff zum Einsatz.
Neue OSRAM LEDriving-Scheinwerfer im Vergleich zu den alten Halogen-Leuchten.
Die kleinen LED sind aber nicht nur sparsamer, effizienter und länger haltbar. Sie können auch durch Linsen und Parabolspiegel jeweils einzeln in ihrer Abstrahlcharakteristik und Ausrichtung verändert werden. Dadurch sind theoretisch Scheinwerfer realisierbar, die adaptiv auf die Verkehrssituation reagieren und z.B. die eigene Spur vollwertig ausleuchten und die Spur des Gegenverkehrs abblenden. Auch die Projektion von Geschwindigkeitshinweisen und Warnschildern auf die Fahrbahn ist mit dieser Technik möglich. Die komplexe Steuerung macht LED-Scheinwerfer aktuell aber noch relativ teuer. Auch alte gesetzliche Normen stehen teilweise der Einführung im Weg. Wollen Sie Ihr Fahrzeug mit LED-Scheinwerfern nachrüsten, dann achten Sie darauf, dass die Zulassung vorliegt und die Scheinwerfer ECE-konform sind.
