die birne ist erledigt

Hamsterkäufe – das kennen die älteren Deutschen aus der Nachkriegszeit. Butter, Zucker, Zigaretten wurden gehortet und getauscht. Später in der Ölkrise der 1970er-Jahre hieß es Schlangestehen an den Zapfsäulen und Reservekanister füllen. Jetzt müssen sich die Deutschen, und mit ihnen alle anderen EU-Bürger, erneut auf magere Zeiten einstellen. Engpässe gibt es diesmal in Bau- und Elektromärkten. Denn seit dem 1. September ist der Verkauf von 100-Watt-Glühbirnen verboten. In den ersten vier Monaten des Jahres verkauften Hornbach und Praktiker doppelt so viele 100-Watt-Glühbirnen wie im Vorjahreszeitraum. Und in den letzten Monaten dürften die Absätze noch einmal deutlich gestiegen sein – wenn die Vorräte reichten. Bis 2012 folgen Schritt für Schritt die Lampen mit geringerer Leistung – so will es EU-Energiekommissar Andris Piebalgs. Denn die gute alte Lampe mit Glühdraht, die vermutlich um 1820 das Licht der Welt erblickte, aber erst 1880 von Thomas Edison patentiert und zum Massenprodukt entwickelt wurde, verheizt 95 Prozent der elektrischen Energie – zu viel, wenn man den CO2-Ausstoß zum Wohl des Klimas spürbar senken will.

Sinnvoll sind die Hamsterkäufe nicht, weil Energiesparlampen inzwischen effizient und langlebig sind und die typischen Nachteile der unnatürlichen Lichtfarbe und der schwachen Anfangshelligkeit weitgehend abgelegt haben. Doch eine Zukunft haben auch sie nicht – die gehört der Leuchtdiode, kurz LED (Light Emitting Diode). Schon 1907 entdeckte Henry Joseph Round, dass anorganische Kristalle beim Anlegen einer Spannung leuchten können. Die eigentliche Erfindung der LED wird auf 1962 datiert. Fortan fristete sie milliardenfach ihr meist rotes, manchmal auch grünes oder gelbes Dasein als Anzeigelämpchen in der Stereoanlage oder im Armaturenbrett des Autos. Blau leuchtete sie jedoch lange nicht. Das erkennen Besitzer von Golfs und Passats aus den 1970er- und 1980er-Jahren daran, dass ihre Anzeige fürs Fernlicht gelb und nicht – wie üblich – blau ist, was damals ein paar Pfennig sparte und viele Fahrer verwirrte. Das änderte sich 1994. Shuji Nakamura vom japanischen Konzern Nichia – heute mit etwa 22 Prozent Anteil Marktführer für LEDs – entwickelte die erste blaue LED. Kurz darauf präsentierten Nichia und gleichzeitig Osram mit dem Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik in Freiburg die erste weiße LED, die aus blauem Licht mittels Leuchtstoffen gelbes Licht erzeugt und daraus weißes Licht mischt. Osram liegt im Weltmarkt knapp hinter Nichia. In dem „ hochkompetitiven Markt” bleiben die genauen Verkaufszahlen geheim. Zu entlocken ist den Regensburgern nur, dass die gesamte bei Osram in Deutschland gefertigte und in Malaysia zu LEDs verpackte Chip-Fläche etwa 1500 Quadratmeter beträgt. Zu Chips gesägt ergibt das bis zu mehrere Milliarden LEDs – je nachdem ob die Chips 170 Mikrometer Kantenlänge haben (wie für die Beleuchtung von Handytasten) oder einen Millimeter (wie für das Tagfahrlicht in Autos) oder noch länger sind (wie in den Osram-LEDs mit dem treffenden Namen „Kolossos”, die für TV-Projektoren gedacht sind). Kleine LED-Projektoren sollen in wenigen Jahren in Handys eingebaut werden und helle Bilder von der Größe eines A4-Blatts an die Wand werfen.

Billigware ruiniert den Ruf

Aber sind weiße Leuchtdioden schon reif, die Glühbirne im Wohnzimmer zu ersetzen? Volker Härle, Leiter des Marketings für LEDs für Spezialanwendungen bei Osram in Regensburg, ist davon überzeugt. Doch der Physiker versteht, dass mancher Verbraucher skeptisch ist. Neulich war Härle in einem Baumarkt in Regensburg, wo er von dem Regal mit den LED-Leuchten ein paar Fotos gemacht hat, die nun in seiner Bildschirmpräsentation zu sehen sind: verschiedene LED-Lampen in allen Formen – auch solche, die aussehen wie „Maiskolben” mit Glühlampenfassung – und bei denen rund die Hälfte der LEDs defekt war. Die LEDs, die funktionierten, waren zudem eher giftigblau als warmweiß. „Wer so etwas sieht, kauft sich doch die nächsten Jahre keine LED-Leuchte” , murrt Härle. Dabei werben die Hersteller gerade mit der langen Lebensdauer für die LEDs. Die Ministrahler sollen über 50 000 Stunden halten – das sind nonstop fast sechs Jahre, 50 Mal so lange wie eine Glühbirne. Das gilt allerdings nur, wenn die LEDs bei Osram aus dem Reinraum kommen. Bei asiatischer Billigware ist die Streubreite der Lebensdauer viel größer, zahlreiche Leuchtdioden machen deutlich früher schlapp – und verhageln überdies mit ihrem unnatürlichen Licht das mühsam aufgebaute Image der LED. Doch daran wird der Siegeszug der Leuchtdioden nicht scheitern, denn die Kostenbilanz ist überzeugend. Setzt man eine bescheidene Lebensdauer von nur 25 000 Stunden an, kostet eine LED-Lampe etwa 80 Euro, zwei Dutzend Glühbirnen aber das Vierfache, jeweils inklusive Strom. Im Kraftwerk entstehen bei der LED-Produktion rund 100 Kilogramm CO2, bei der Herstellung von Glühlampen sind es 500 Kilogramm. Bei Helligkeit und Lichtqualität gab es in den letzten Jahren zudem so große Fortschritte, dass niemand der Glühbirne lange nachweinen wird. Waren die 0,1 Lumen (Einheit des Lichtstroms) pro Watt elektrischer Leistung der ersten LEDs Anfang der 1960er-Jahre mit bloßem Auge mehr zu ahnen als zu sehen, schaffen die hellsten weißen LEDs heute über 100 Lumen pro Watt. Zum Vergleich: Eine Glühlampe liefert nur 10 Lumen pro Watt.

„Das beamt einen weg”

Weil LEDs aus einem winzigen Halbleiterkristall – heute: Galliumnitrid – gefertigt werden, konzentrieren sie extrem hohe Leuchtkraft auf engstem Raum: etwa 1000 Lumen – die Helligkeit einer 100-Watt-Glühbirne – auf wenigen Quadratmillimetern. „Das beamt einen weg”, sagt Volker Härle und schaltet die fingernagelgroßen LEDs für Autoscheinwerfer, auf denen bis zu fünf der Chips sitzen, erst gar nicht ein, um das Augenlicht der Anwesenden zu schonen. LEDs mit 120 Lumen pro Watt werden heute schon produziert, 150 Lumen pro Watt sind in der Entwicklung. Das theoretische Limit, errechnet für einen neutralen Weißpunkt, liegt bei einer Effizienz von 84 Prozent, was etwa 190 Lumen pro Watt entspricht. „Farbiges” Weiß kann auch eine höhere Ausbeute haben. Dass die Chips so hell sind, ist auch Härle zu verdanken, der in den 1990er-Jahren einen Dünnfilmprozess für Galliumnitrid entwickelt hat, bei dem die halbleitenden Schichten nur fünf Mikrometer dünn sind und bei dem das Sandwich auf einem zweiten Substrat quasi auf den Kopf gestellt wird. Denn unten – was dann oben ist – kommt so mehr Licht heraus, unterstützt durch eine spiegelnde Schicht und eine aufgeraute Oberfläche am Lichtaustritt. Diese Technologie werde die nächsten 10 bis 20 Jahre dominieren, ist Härle überzeugt. Die blaue Armaturenbeleuchtung für VW war 1996 sein erstes Produkt und „ein Meilenstein”, initiiert durch VW-Aufsichtsratschef Ferdinand Piech, der sofort von dem blauen Licht des Tachos begeistert war.

Siegeszug im Auto

Mit den Funzeln, die manche als Standlicht im Fahrrad oder von den ersten LED-Taschenlämpchen für den Schlüsselbund kennen, haben die heutigen Kraftpakete nichts mehr gemeinsam. Sie dienen als Tagfahrlicht der neuesten Automodelle, vor allem aus dem Hause Audi, wo sie wie eine Christbaumkette unter dem eigentlichen Fahrlicht sitzen. Auch die Lampen darüber, heute noch in Halogen-Ausführung, werden in den nächsten Jahren durch LEDs ersetzt werden – sogar das Fernlicht. LEDs sind bei den Autoherstellern so beliebt, weil sie ganz neue Designmöglichkeiten bieten und weil sie eine maßgeschneiderte Ausleuchtung der Fahrbahn ermöglichen. In einer LED für Autoscheinwerfer sitzen immer mehrere LED-Chips, die man so schalten kann, dass sie beliebige Helligkeitsprofile erlauben. Beim Kurvenlicht müsste sich dann kein Reflektor mehr bewegen, man schaltet einfach eine seitliche LED zu. Und wann kommen die LEDs ins Wohnzimmer – etwa als Leselampe oder um ein stimmungsvolles Licht beim Fernsehen zu erzeugen? Die Marktforscher von Strategies Unlimited rechnen damit, dass der Markt für LED-Allgemeinbeleuchtung von 337 Millionen Dollar 2007 auf über 1,6 Milliarden Dollar 2012 steigen wird. Im Baumarkt oder bei Elektronikgeschäften kann man LEDs heute schon in mannigfaltigen Varianten kaufen. Beliebt sind gebündelte LED-Pakete in Fassungen von Halogenstrahlern. Sie erzeugen brillantes Licht in angenehmer Lichtfarbe, allerdings als Spot auf eine begrenzte Fläche gerichtet. LEDs sind eben Punktstrahler, gebündelt haben sie eine ähnliche Abstrahlcharakteristik wie Halogenspots.

Wer sich schon länger mit LEDs beschäftigt, kennt das Problem der farbigen Lichtsäume am Rand des Lichtkegels. Meist ist dieser blau, was das Licht kalt macht und Gesichtern einen ungesunden Charakter verleiht. „Die neuen LEDs haben eine sehr gute Farbwiedergabe”, verspricht Markus Klein, Leiter des Geschäftssegments für Festkörperbeleuchtung bei Osram. Damit meint er die Allgemeinbeleuchtung. Doch wie sein Kollege Härle warnt auch Klein vor Billigprodukten und unlauteren Angaben zur Energieausbeute. Häufig geben Hersteller beeindruckende Lumen-pro-Watt-Werte für Licht an, das nach Babyrosa aussieht. „ Unser Weiß liegt dagegen ganz nah am Sonnenlicht”, betont Klein.

Blaulicht aus der Spülmaschine

Die LED-Lampe mit Glühlampenfassung ist indes nicht die Zielrichtung der Vermarktung. Denn LEDs sind eben Punktstrahler. Um eine Glühlampe zu imitieren, sind viele LEDs nötig, die kugelförmig in einem matten Kolben angeordnet sind, um die Abstrahlung in alle Richtungen zu erreichen. Solche Leuchtgloben enthalten 70 oder mehr LEDs. Die hellsten dieser Leuchten mit nach vorn gerichtetem Licht sind etwas heller als eine 40-Watt-Glühbirne, allerdings bei einer Leistungsaufnahme von nur 7 Watt. Doch leuchtende Kugeln an der Decke können die Vorteile der LED nicht nutzen. Designer und Architekten bieten deshalb lange und flache Schreibtischleuchten oder Leuchtbänder unter Regalen an. Die Hersteller von Haushaltsgeräten illuminieren Kühlschränke oder Geschirrspüler mit LEDs. So strahlt das Geschirr im Top-Spüler von Bosch blau, was den Eindruck der Sauberkeit unterstützen soll, verrät Michael Rosenbauer, Bereichsleiter Entwicklung für Geschirrspüler bei BSH Bosch und Siemens Hausgeräte in Dillingen an der Donau.

Weil LEDs völlig neue Beleuchtungsmöglichkeiten eröffnen, hat sich das Bundesforschungsministerium entschlossen, diese Technologie durch eine Leitmarktinitiative zu fördern. Ein Bewerber ist der Osram-Heimatort Regensburg, der nun LED-Leuchten in den engen Gässchen der Altstadt aufstellen will. Eine Befragung soll klären, wie die Bürger die neue Beleuchtung bewerten. Die hat Vorteile, weil sie durch gezielte Ausrichtung Streulicht in Schlafzimmern vermeidet. Das Thema Lichtverschmutzung wird immer aktueller: So legt der Nationalpark im kanadischen Banff Wert darauf, dass sich kein Licht abseits der Straßen verirrt. Die spektakulären Satellitenbilder aus dem All, auf denen dicht besiedelte Gebiete nachts hell leuchten, könnten damit bald der Vergangenheit angehören. Ein großer Gewinn, denn Licht, das ins All strahlt, verpufft ungenutzt und verschleudert Energie – eine Erkenntnis, die den LED-Herstellern entgegenkommt.

Kurznachricht an die Laterne

Auch ganz neue Ideen lassen sich nun umsetzen. So schalten die Stadtwerke Lemgo nachts die Straßenbeleuchtung aus, um Energie zu sparen. Die Elektronik ist allerdings so ausgerüstet, dass sich das Licht per SMS gegen eine Gebühr für 15 Minuten einschalten lässt und gezielt den Nachhauseweg beleuchtet. Die Technologie namens „Dial4Light” arbeitet noch ohne LED-Leuchten, doch die 108-Watt-Strahler, die Osram zur Beleuchtung von Tunneln und Straßen anbietet und die besonders in China beliebt sind, wären dafür ideal. Denn sie haben sofort die volle Helligkeit und sparen – weil sie nur nach unten strahlen und man deshalb die Leistung drosseln kann – rund 50 Prozent an Energie. Volker Härle kann sich Szenarien vorstellen, in denen Automobile automatisch das Straßenlicht steuern. Vor dem fahrenden Auto wäre es stets hell, dahinter schalteten sich die Lampen wieder ab – wegen der Energieersparnis und der Wartungsarmut zumindest langfristig ein sicheres Geschäft für jeden Stadtkämmerer. „Licht nach Bedarf” könnte es auch in Büros geben, wo immer gerade so viele Leuchtdioden zum Tageslicht zugeschaltet würden, wie für eine konstante Beleuchtung nötig wären.

Leuchtende Fensterscheiben

Die Revolution auf dem Beleuchtungsmarkt steht vor der Tür. Man stelle sich ganze Wände vor, die gleichmäßig leuchten, oder Fenster, die leuchten und dabei noch transparent sind. Was demnächst auf uns zukommt, ist im Showroom der Firma Novaled in Dresden zu bestaunen: kleine Anschnallzeichen fürs Flugzeug oder eine gewagt designte Schreibtischleuchte mit dünnen leuchtenden Glasplättchen. Das Geheimnis sind sogenannte organische Leuchtdioden (OLED), bei denen die leuchtende Schicht aus einem Kunststoff besteht. OLEDs werden heute vor allem in kleine Displays einbaut. Etwa ein Drittel aller MP3-Player hat eine OLED-Anzeige, und von Unterhaltungselektronikkonzern Sony gibt es auch schon den ersten OLED-Fernseher. Der hat besonders brillante Farben, weil die Kunststoffe direkt in den Grundfarben rot, grün und blau leuchten und nicht wie bei LCD-Fernsehern weißes Licht durch bunte Filter abgeschwächt wird.

Doch der große Markt wird die Allgemeinbeleuchtung sein. Im Labor zeigt Novaled, wohin die Reise geht: Eine dünne Scheibe mit gut zehn Zentimeter Kantenlänge ist ausgeschaltet transparent wie eine Glasscheibe. Schaltet man den Strom ein, leuchtet sie hell orange, wobei man Gegenstände dahinter immer noch erkennen kann – ideal für leuchtende Fensterscheiben oder als Belag für leuchtendes Holz. Im Mai verkündete das Unternehmen, das eine Ausgründung der Universität Dresden ist, einen Weltrekord bei der Lichtausbeute: 90 Lumen pro Watt schaffte eine weiße OLED im Novaled-Labor, mit einer Lichtauskopplungsoptik sogar 124 Lumen pro Watt. Damit haben die leuchtenden Kunststoffe Leuchtstoffröhren mit ihren 50 bis 70 Lumen pro Watt überholt und zu LEDs aufgeschlossen. Eine grüne OLED von Novaled ist mit 183 Lumen pro Watt sogar effizienter als die besten LEDs. Auch alle anderen Werte sind vielversprechend: Der Color Rendering Index – ein Maß für die Natürlichkeit der Lichtfarbe – liegt mit 90 nahe am Tageslicht (100) und ist weit besser als bei Leuchtstoffröhren (70). Die Lebensdauer, bisher ein Handicap von OLEDs, ist mit über 100 000 Stunden enorm hoch. Eine rote OLED bewältigte im Zeitraffertest mit überhöhter Leistung sogar eine Million Stunden, länger als ein Menschenleben.

Hell und ausdauernd

„Gleichzeitig große Helligkeit und lange Lebensdauer – das schaffen nur wir”, sagt Jan Blochwitz-Nimoth, Forschungsleiter bei Novaled. OLEDs fertigen die Dresdner allerdings nur als Prototypen. Das Hauptgeschäft sind Materialien, die andere Hersteller nutzen. Marketing-Leiterin Anke Lemke zählt die Kunden auf, die bis auf Philips allerdings so geheim seien, dass man sie in diesem Artikel nicht nennen dürfe. Nur so viel: Alle großen Hersteller weltweit testen oder nutzen Novaled-Materialien. Das Geheimnis der Dresdner Rezeptur ist, dass sie für eine optimale Balance der Ladungsträger in den halbleitenden Schichten sorgt. Wie bei den anorganischen LEDs fließen auch in den organischen Verwandten Elektronen und Löcher von zwei Elektroden durch die Leuchtschicht. Allerdings ist dieser Übergang heikel und muss den Ladungsträgern durch zwei Transportschichten über und unter der Leuchtschicht erleichtert werden. Für die Transportschichten hat Novaled eine besonders gute Dotierung mit Fremdmolekülen gefunden.

Novaled setzt hauptsächlich auf das Verfahren der kleinen Moleküle, bei dem organische Stoffe mit einer Molekülmasse von 200 bis 1000 durch Aufdampfen im Vakuum auf ein Glassubstrat abgeschieden werden. Eine zweite Variante wären langkettige Polymere, die mit einem Tintenstrahldrucker auf eine Plastikfolie gedruckt werden. Dieses elegante Verfahren wird unter anderem am Fraunhofer-Institut für photonische Mikrosysteme in Dresden entwickelt. Es ist preiswert, bietet aber bislang nur kurze Lebensdauern.

In einigen Jahren werde es wohl hybride Verfahren geben, die die Vorteile von Helligkeit und Biegsamkeit kombinieren, meint Blochwitz-Nimoth. Das Ziel sind ultrahelle Bildschirme oder Leuchttapeten, die man biegen und sogar aufrollen kann. Das EU-Projekt OLED100 mit 14 europäischen Unternehmen soll OLEDs mit 100 Quadratzentimetern und 100 Lumen pro Watt für 100 Euro pro Quadratmeter marktreif machen. Das EU-Vorgängerprojekt OLLA entwickelte gestapelte weiße OLEDs, in denen drei Leuchtschichten rot, grün und blau erzeugen, bei nur einem Drittel des Stroms und bei gleicher Lichtausbeute.

Blochwitz-Nimoth rechnet damit, dass erste OLEDs zur Allgemeinbeleuchtung noch in diesem Jahr auf den Markt kommen und ab 2011 andere Flächenstrahler wie Leuchtstoffröhren die letzten Glühlampen verdrängen. Dabei werden sie mit den LEDs koexistieren, die bei der Akzentbeleuchtung unschlagbar sind. Doch billiger als Glühbirnen werden beide Technologien auf absehbare Zeit nicht sein. Sowohl LEDs als auch OLEDs dürften zunächst als teures Edellicht in den Markt drängen, da sind sich die Experten von Osram und Novaled, Härle und Blochwitz-Nimoth, einig. Designer, Architekten und Bildschirmhersteller werden die treibenden Kräfte sein, aber auch neue Unternehmen sollen mitspielen, zum Beispiel Stahlhersteller, die leuchtende Schichten auf ihr Metall aufbringen wollen, um so vom Lampenschirm- zum Lampenhersteller aufzusteigen.

Im LED-Kleid auf der Bühne

Vorreiter sind einmal mehr die Kunstszene und die Modeindustrie. Das beweist die Berchinale, das seit 2005 jährlich stattfindende Lichtfestival in Berching bei Nürnberg. Oder das Lichtkleid von Mieze Katz, der Frontfrau der Berliner Band Mia. Drei Lichtexperten haben für die Sängerin ein Kleid mit LEDs geschneidert, die sogar gegen die helle Bühnenbeleuchtung ankommen und die Mieze Katz bei ihrer schweißtreibenden Bühnenshow selbst steuern kann. ■

Bei Bernd Müller gibt es keine Glühlampen mehr – und bald nur noch LEDs. Er ist auch Autor von „Top-Physik im Kleinformat” ab S. 48.

von Bernd Müller