Die Evolution des elektrischen Lichts

Die Erfindung der Glühlampe und Edison

Das Prinzip der Glühlampe hatte wohl der Brite Humphry Davy im Jahr 1802 zum Leben, oder besser: zum Leuchten erweckt. Es ist vermeintlich simpel: Elektrische Energie wird durch einen dünnen Faden, etwa aus Kohlenstoff, geleitet. Dieser beginnt dadurch zu glühen: Die Temperatur des Glühfadens kann je nach Material und Bauform etwa 1500 bis etwa 3400 Grad Celsius erreichen, sodass er gemäß des Planck’schen Strahlungsgesetzes elektromagnetische Strahlung im unsichtbaren Infrarot-, aber auch im sichtbaren Lichtbereich aussendet.

„Die ersten praxistauglichen Glühlampen waren wirklich Hightech“, verrät Frank Dittmann: „Der Glühfaden durfte nicht zu dick sein, sonst glühte er rot. Zudem musste er temperaturbeständig sein.“ Edison versuchte, das Produkt zu optimieren und vor allem: langlebig zu machen. Dazu testete er rund 6000 verkohlte Pflanzenfasern, bis er auf eine besonders langfaserige Bambusart stieß, die  –  aufs Feinste aufgespalten  –  die Glühfäden bildete. Mindestens ebenso wichtig war die Glashülle: Sie sollte nicht nur das Licht brechen, sondern auch Sauerstoff vom Glühfaden fernhalten, damit dieser nicht durchbrennen würde. „Zum Vakuumieren brauchte man eine gute Vakuumpumpe“, erklärt Dittmann, „gleichzeitig musste man die Drähte zur Stromversorgung des Glühfadens so in den Glaskörper hineinführen, dass Letzterer nicht undicht wurde.“

Hier stand Edison vor dem wohl größten Problem, denn Glas und Drähte dehnten sich bei Wärme unterschiedlich stark aus, sodass die Glashülle an den Durchführungen nicht dichthielt und Luft eintreten ließ, wodurch der Glühfaden verbrannte. Die Lösung lieferte ein aus Deutschland eingewanderter Mitarbeiter Edisons, der sein Know-how vom Bonner Instrumentenbauer Heinrich Geißler erworben hatte. „Geißler hatte das Problem gelöst, indem er Mehrschichtenglas aus verschiedenen Glassorten nutzte“, weiß Dittmann aus historischen Quellen: „Glasschicht für Glasschicht näherte er sich dem Ausdehnungskoeffizienten des stromführenden Drahtes an. Die letzte Schicht war in puncto Ausdehnung so nah am Draht, dass alles dicht blieb.“

Edison hatte sich seine Glühlampe früh urheberrechtlich schützen lassen. Das Basispatent unter der Nummer 223 898 („Electric Lamp“) war bereits am 27. Januar 1880 erteilt worden. Zwar gingen viele der darin enthaltenen Innovationen auf Mitarbeiter Edisons zurück, doch auch der Chef selbst „lieferte entscheidende Innovationsbeiträge“, so Dittmann, „etwa den Glühlampensockel mit Schraubgewinde, der  –  je nach Gewindegröße  –  bis heute verschiedene E-Bezeichnungen trägt.“ E wie Edison.

Die optimale Lampe war jedoch nicht die einzige Herausforderung für Edison. Auf dem Weg zur flächendeckenden Versorgung ganzer Städte mit elektrischem Licht galt es, eine komplette Infrastruktur zu erdenken und dann auch aufzubauen. Letzteres war extrem teuer: Elektrizitätswerke und leistungsstarke Dynamos mussten her, ebenso ein Stromleitungsnetz, adäquate Sicherungen sowie Stromzähler. Edison und das Heer von Mitarbeitern, das inzwischen für ihn tätig war, sollten diese Entwicklung vorantreiben.

In den 1880er-Jahren begann mit der Elektrifizierung von New York ein weltweites Pilotprojekt. 1911 betrieb die Edison Electric Illuminating Company of New York bereits 33 Kraftwerke, die 4,6 Millionen elektrische Lampen von 108 500 Kunden mit Strom versorgten. Für Edison war das wie eine Lizenz zum Gelddrucken. Bis zu seinem Tod im Jahr 1931 sollte er ein geschätztes Vermögen von rund 170 Millionen Dollar anhäufen. Nach heutigem Kaufkraft-Maßstab entspricht das etwa 20 Milliarden.

Technische Weiterentwicklungen

Die Optimierung der Glühlampe schritt unterdessen immer weiter fort: Der österreichische Chemiker Carl Auer von Welsbach hatte bereits 1898 die erste Metallfaden-Glühlampe präsentiert. Als nächster Meilenstein gilt Auers ab 1906 unter dem Markennamen Osram präsentierte Idee, Glühfäden aus hoch schmelzenden Metallen wie Osmium, Tantal oder Wolfram zu verwenden. „Die Schmelztemperatur von Osram beträgt beispielsweise 3410 Grad Celsius“, referiert Experte Dittmann und erklärt den Vorteil: „Je heißer ein Glühfaden wird, desto heller und tageslichtähnlicher sein Licht.“

Derweil brachte die Evolution des elektrischen Lichts auch andere Arten von Lampen hervor  –  die sich in ganz unterschiedlichen Lebensräumen behaupteten. War die Glühlampe auf Basis von Edison, Auer & Co. wegen ihres heimeligen, gelblich-weißen Lichts vor allem in privaten Wohnungen beliebt, suchte man nach Möglichkeiten für weithin sichtbare Lichtwerbung. Schon im 19. Jahrhundert hatte der bereits erwähnte Heinrich Geißler die erste Leuchtstoffröhre (auch: Neonröhre) gebaut – damals als bloßes Forschungsprojekt: Ein Edelgas im Inneren einer Glasröhre wurde durch zwei Elektroden zur Entladung und damit zum Leuchten angeregt.

1902 steigerte der US-Elektroingenieur Peter Cooper-Hewitt die Leuchtkraft dieses Lampenprinzips, indem er Quecksilberdampf statt Gas einsetzte. Das entstandene Licht war jedoch eher bläulich und eignete sich kaum zur Beleuchtung. Eine Lösung fand sich in den 1930er-Jahren, als man die Innenseite des Glases mit einer fluoreszierenden Substanz versah, die das blaue in gelblich-weißes Licht umwandelte. „Die Leuchtstoffröhren waren durch ihre länglichen Leuchtkörper dafür geeignet, auch große Flächen wie Fabriken auszuleuchten“, so Dittmann, „allerdings stört dieses Licht unser natürliches Farbempfinden.“ Zudem tendieren Leuchtstoffröhren zum Flackern, was nicht nur störend ist, sondern auch negativ auf die Gesundheit wirken kann: übermäßige Belastung der Augen, Kopfschmerzen bis hin zu Migräne. Viele Menschen lehnen deshalb Arbeitsplätze unter Neonlicht ab.

Eine deutlich höhere Qualität bot die Halogenlampe: 1959 ließ sich General Electric die erste kommerzielle Version dieses Leuchtentyps patentieren. Die Halogenlampe ist die hellere und auch haltbarere Schwester der Glühlampe. Vorteil: „Sie repariert sich sozusagen selbst“, erklärt Frank Dittmann. „Die Halogenlampe vereint im Inneren einen Glühfaden und ein Gas aus Halogenverbindungen. Letzteres zerfällt bei Hitze und dadurch schlägt sich das verdampfte Glühfadenmaterial wieder an den besonders dünnen Stellen des Glühfadens nieder.“ Die recht teuren Halogenlampen werden dank ihres brillanten Lichts vor allem zur Ausleuchtung von Präsentationsflächen sowie in Autoscheinwerfern eingesetzt. Sie erreichen mit rund 20 Lumen/Watt auch eine doppelt so hohe Effizienz wie Glühlampen. Sie sind bis heute im Einsatz.

Dagegen sind die Tage der Glühlampe vorbei. Das Prinzip von Davy, Edison & Co. hatte neben seiner begrenzten Leuchtstärke und Lebensdauer noch eine weitere, ganz entscheidende Schwäche: Die Glühlampe wandelte nur etwa drei Prozent der elektrischen Energie in sichtbares Licht um. Der bei Weitem größte Teil der Energie wurde im infraroten Bereich als Wärme abgestrahlt, eine enorme Ressourcenverschwendung. Ab 2009 wurde die Glühlampe deshalb EU-weit schrittweise vom Markt genommen  –  Bühne frei für die Energiesparlampe.

Die Nachfolgerin der Glühlampe folgte, wie die Leuchtstoffröhre, dem Gasentladungsprinzip: Die Energiesparlampe enthielt im Inneren eine gewundene Röhre mit Quecksilberdampf, der durch Stromzufuhr leuchtete. Der dazu nötige elektronische Startermechanismus im Sockel benötigte etwa eine Sekunde, um die Gasentladung zu starten, diese wiederum regte einen Leuchtstoff zum Leuchten an. Das Verfahren produzierte nur wenig Wärme und ermöglichte einen gegenüber der Glühlampe um rund 70 Prozent reduzierten Energieverbrauch. Doch das war nicht der einzige Vorteil: Die Energiesparlampe war wesentlich langlebiger als die alte Glühlampe, deren Wolframfaden, der, obwohl er später aus einer hitzebeständigeren Wolframlegierung gefertigt worden war, nach einer gewissen Zeit durchbrannte.

Energiesparlampen, die dank gleicher Fassungen in dieselben Leuchtvorrichtungen geschraubt werden konnten wie die alten Glühlampen, kamen auf rund 10 000 Stunden Betriebsdauer – etwa zehnmal mehr als Glühlampen. Dennoch sollten sie ein Phänomen von nur kurzer Dauer sein. Seit dem 21. September 2021 dürfen auch sie europaweit nicht mehr in Umlauf gebracht werden. Neue Generationen von Leuchtmitteln wie LED (steht für Light Emitting Diode; deutsch: Licht aussendende Diode) und OLEDLampen (Organic Light Emitting Diode auf Basis von organischen Verbindungen) haben ihr den Rang als maximal effiziente Lichtquellen abgelaufen.

(O)LED-Leuchten sind ein Produkt der Halbleiterforschung: Sie erzielen Licht nicht mehr über Wärme, sondern direkt  –  über sogenannte Elektronensprünge. Damit sparen sie gegenüber Glühlampen rund 90 Prozent an Energie. „LEDs gibt es schon seit 1962,“ weiß Frank Dittmann. „Damals konnten sie jedoch nur rot leuchten und waren ausschließlich als Leuchtanzeige im Einsatz. In den 1980er-Jahren fand man ein Halbleiter-Material, das blaues Licht erzeugen konnte. Seit 1995 kann man auf Chips LEDs integrieren, die verschiedene Lichtfarben erzeugen, welche sich zu weißem Licht mischen.“

Im Gegensatz zur Energiesparlampe enthalten LED- und OLED-Lampen kein giftiges Quecksilber, das ihre Vorgängerin früher oder später zum Problemmüll werden ließ. Doch auch die Leuchten der neuesten Generation dürfen nicht einfach im Hausmüll entsorgt werden: LEDs und OLEDs können nämlich zu 90 Prozent recycelt werden und gelten als besonders ressourcenschonend.