Siegen. . LEDs sind sparsam, sehr sparsam. Claudia Wickleder, Professorin für Anorganische Chemie an der Uni Siegen, arbeitet an noch effizienteren Leuchten.

• Effizientere Energienutzung und bessere Lichtqualität
• Institut kooperiert mit großen Lampenherstellern wie Osram
• Technologie Voraussetzung für Computer, Handys, Ampeln

19 Prozent der Energie auf der Welt wird für Beleuchtungszwecke genutzt. Inzwischen sind LEDs massentauglich geworden: Eine gute Nachricht für den steigenden Energiebedarf der Weltbevölkerung, denn sie sind überaus sparsam: „LEDs benötigen nur ein Fünftel der Energie, die alle anderen Lampen durchschnittlich verbrauchen“, sagt Claudia Wickleder, Professorin für Anorganische Chemie an der Uni Siegen. Sie forscht mit ihren Mitarbeitern daran, LEDs noch sparsamer zu machen – und die Lichtqualität zu verbessern.

„Wenn man die Hälfte aller Lampen auf der Welt durch LEDs ersetzen würde, würde das 1,6 Milliarden Tonnen CO₂ sparen“, sagt Wickleder. „Der Effekt wäre der gleiche, wenn eine Billion Autos weniger auf den Straßen unterwegs wären.“ Es gibt weltweit „nur“ gut eine Milliarde Autos. „Die Verbesserung von LEDs löst nicht die Energieprobleme unseres Planeten“, sagt die Professorin, „aber es hilft.“ Außerdem halten LEDs sehr lange, 30 Jahre etwa, und sind umweltverträglich recycelbar.

Energie wird effizient zu Licht

Wie funktioniert eine Lampe? Beispiel Energiesparleuchte: Grob umrissen ist das eine Glasröhre, in die seitlich Elektroden – Stromkabel – hineinführen. Gefüllt ist die Röhre mit Helium, flüssigem Quecksilber, das auf dem Röhrenboden liegt, und den pulverförmigen Leuchtmitteln. Lampe an: Strom fließt, Quecksilber verdampft zu Gasatomen. Sie werden „angeregt“, in einen anderen Energiezustand versetzt. Nach einer gewissen Zeit fallen die angeregten Atome wieder in den Grundzustand, senden dabei UV-Licht aus und das wiederum regt die Leuchtstoffe an. Ein Dreischritt: Strom regt Quecksilber an, Quecksilber sendet (unsichtbares) UV-Licht aus – UV-Licht regt Leuchtstoffe an, die sichtbares Licht aussenden. Aber die Lichtqualität ist eher bescheiden.

„Energiesparlampen“, sagt Claudia Wickleder, „sind besser als Glühbirnen – aber nicht sonderlich energiesparend.“ Bei einer Glühbirne gehen 90 Prozent des Stroms als Wärme verloren, bei einer Energiesparlampe werden 60 Prozent des Stroms in Licht umgewandelt.

Eine Pulverschicht die blau leuchtet

Der Clou der LED: Die hineingesteckte Energie wird sehr effizient in Licht umgewandelt. „Für 2,5 E-Volt bekommt man 2,3 E-Volt sichtbares Licht“, erklärt Wickleder. Das geht, weil der „Umweg“ über das Quecksilber entfällt, aus dem Dreischritt wird ein Zweischritt. Strom regt in der LED direkt den Leuchtstoff an, der auf seltenen Erden basiert – Nanopartikel, milliardstel Millimeter klein. „Eine LED besteht im Grunde aus einer Pulverschicht, man leitet Strom durch, sie leuchtet blau“, sagt Wickleder. Diese LED ist mit in anderen Farben leuchtenden Leuchtstoffen beschichtet, die durch das blaue Licht angeregt werden. Das Resultat sind LED-Lampen mit warm-weißem Licht; durch die Mischung aller Farben.

Die Leuchtstoffe für die Beschichtung lassen sich optimieren. „Blaue LEDs sind in einem sehr niedrigen Energiebereich anregbar“, erklärt Wickleder – die japanischen Erfinder der blauen LED aus Galliumnitrid erhielten für ihre Entwicklung 2014 den Nobelpreis.

Wickleders Institut entwickelt Nanopartikel für die Beschichtung: Sie leuchten, sind dabei ungiftig, halten mindestens 50 Jahre und setzen den Strom, mit dem sie angeregt werden, sehr effizient in Licht um. In wohltuendes Licht.

Unbekannte Substanzen synthetisieren

Für die Arbeit kooperiert das Institut mit den großen Lampenherstellern wie Osram – und betreibt Grundlagenforschung: Warum leuchten Stoffe? Und wie? Mit welcher Energie können sie zum Leuchten gebracht werden? Die Chemiker synthetisieren dafür neue, bisher unbekannte Materialien. In einem Ofen schmelzen sie bekannte Substanzen auf, beim Abkühlen entstehen neue Verbindungen – idealerweise solche, die kräftig leuchten. Diese Pulver unterziehen die Chemiker einer Strukturanalyse: „Wir gucken, was drin ist und ob’s leuchtet“, sagt Claudia Wickleder und grinst. „Wenn man den Weltvorrat einer Substanz, die es vorher nicht gab und die man selber hergestellt hat, in den Händen hält – das ist ein unglaubliches Gefühl!“, schwärmt die Chemikerin.

Warum Claudia Wickleder zu Licht forscht? „Wenn es hell ist, hat man bessere Laune“, sagt sie. Menschen schwitzen, frieren, fürchten, gruseln sich – alles auch eine Frage des Lichts. Ohne die Beherrschung des Lichts wäre eine moderne Zivilisation undenkbar: „Wenn die Sonne unterging, blieb den Leuten früher kaum etwas übrig, als schlafen zu gehen“, sagt Wickleder. Handys, Autoscheinwerfer, Computer, Straßenbeleuchtung – undenkbar ohne die neue LED-Technik.

Anwendungsbeispiele: Die LED-Technik im Alltag 

Die Stadt Kreuztal hat ihre Ampeln auf LED-Technik umgerüstet. „Ampel-Glühlampen benötigen einen reflektierenden Lichtkegel, um das Licht nach vorn zu reflektieren, ihr Licht ist nicht gerichtet“, sagt Claudia Wickleder. Sonneneinstrahlung bewirkt die gleiche Reflektion – man sieht die Ampel schlecht.

LED-Lampen erzeugen dagegen direkt gerichtetes Licht, benötigen den reflektierenden Kegel nicht und sind dank des hellen Lichts von weitem sichtbar – und dienen daher auch der Sicherheit.

Fünffache Haltbarkeit

Eine Ampel schaltet ständig, aus Sicherheitsgründen muss die Glühbirne einmal im Jahr ausgetauscht werden. Sie hält ungefähr 10 000 Betriebsstunden – ohne Schalten. Einer LED ist das egal: Sie kann länger als 50 000 Stunden leuchten und muss daher sehr selten ausgetauscht werden.

Ein weiteres wichtiges Thema ist die Sicherheitstechnik: Personalausweise, Führerscheine und Geldscheine neuester Generation leuchten unter bestimmten Lichtverhältnissen – dank neuwertiger, effizienter Nanopartikel.

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Hintergrund: Die Qualität von Licht

Es gibt in Lampen mindestens drei Leuchtstoffe: grün, rot, blau. Durch gezieltes Mischen kann das ganze Farbspektrum abgebildet werden. Basis ist die blaue LED, die durch entsprechende Verhältnisse der Beschichtungs-Leuchtstoffe verschiedene Farben ausstrahlen kann.

Ausschlaggebend für die Lichtqualität ist der Colour-Rendering-Index CRI (Farbwiedergabeindex). Sonnenlicht hat 100 CRI, je mehr der Gelbanteil fehlt, desto schlechter wird die Lichtqualität empfunden. Hochwertige LED-Lampen beinhalten viel mehr Leuchtstoff-Schichten, die in der Summe nahezu das Sonnenspektrum wiedergeben.

Ein hoher Blauanteil wirkt kalt, viel Rot warm – Lampen mit hohem Anteil roter Leuchtstoffe werden, so Claudia Wickleder, oft in den Fleischtheken von Supermärkten eingesetzt: Das Fleisch wirkt frischer. Grüne Beleuchtung gibt es häufig in Gemüseabteilungen oder Blumenläden.