Die biologische Wirkung des Lichts

Eine VSO-Gewächshausinstallation mit Verlustwärme-Rückführung.Vossloh-Schwabe

Licht erfüllt Räume, setzt Akzente, gibt Orientierung, dient der Sicherheit, sorgt für Wohlbefinden und kann sogar Heilung bewirken. Der Mensch lässt sich durch das Sonnenlicht in seinen verändernden Tagesstimmungen beeinflussen, denn Licht erhellt nicht nur den Tag, sondern auch das Gemüt.

Ein gesunder Schlaf, ein geregelter Tages- und Nachtablauf, Sicherheit im Alltag und Schutz der Gesundheit sind Themen, die unmittelbar mit Licht im Zusammenhang stehen.
Gelänge es durch gute Beleuchtung eine positive Wirkung zu erzeugen, ließe sich den Menschen im Alltag und im Beruf helfen.

Nicht verwunderlich, dass die Technik versucht, LED-Lichtquellen zu entwickeln, die dem Sonnenlicht entsprechen und dieselbe Wirkung aufweisen.

Von der LED zum Sonnenlicht

Vossloh-Schwabe Optoelectronic stellt sich der Herausforderung; der Hersteller fertigt LED-Produkte für verschiedene Anwendungen, speziell in Chip-on-Board-Bauart (COB). Wichtige Rollen spielen in der Entwicklung das Nachbilden von Farben und Spektren, die Chipselektionen und das Abmischen von Leuchtstoffen.

Vor der Verarbeitung vermessen Entwickler alle Chips nochmals einzeln, bevor sie sie in Gruppen auf ein Substrat bonden. Geringe Toleranzen an Vorwärtsspannung und Wellenlängen sind die Voraussetzung für hohe Qualität. Ein kontinuierliches Zielspektrum erhält man meist nur unter Verwendung von mehreren Leuchtstoffen. Die Farbtemperatureigenschaften des Phosphors sollten in der späteren Anwendung keine Beeinflussung durch Temperaturschwankungen erfahren. Das heißt, Farbort und Farbwiedergabe müssen über einen breiten Temperaturbereich konstant bleiben.

Kleiner Strahl – große Wirkung

Die entwickelten LED-Module sind die Testgrundlage für die Untersuchungen von der biologischen Wirkung von Licht auf den Mensch. Wichtig für den Brückenschlag zur biologisch wirksamen Beleuchtung ist die Kenntnis um folgende Faktoren:

• Spektrale Zusammensetzung mit dominant wirkenden Wellenlängenanteilen
• Bestrahlungszeitpunkt je nach Tageszeit
• Dauer und Intensität der Bestrahlung
• Beleuchtungssituation (direkte oder indirekte Beleuchtung)

Der erste Schritt zur Herstellung von reproduzierbaren Demonstratoren liegt im Erstellen einer Spezifikation. Die Bio-Lichtmodule dürfen dabei keine Verschlechterung der bekannten Gütemerkmale im Vergleich zu konventionellen Lichtquellen aufweisen. Die Gütemerkmale sind die Farbwiedergabe, die bevorzugte Farbtemperatur und maximale Effizienz. Da eine biologische Beeinflussung über einen ganzen Tag nicht gewünscht ist, muss es möglich sein, zwischen zwei Lichtmodi wechseln zu können:

• Biologisch wirksame Beleuchtung mit Melatonin – Unterdrückung und veränderbaren Farbtemperaturen
• Beleuchtung ohne Melatonin-Unterdrückung, bei veränderbaren Farbtemperaturen

Das gewünschte Lichtspektrum wurde in spezielle Bereiche mit biologischer Wirkung unterteilt. Zum Beispiel im 450-nm-Bereich (Maximum der melanopischen Wirksamkeit) sowie in 430 und in 505 nm. Unterdrückt man nun den blauen Bereich, erfolgt eine Zuschaltung benachbarter Wellenlängen, um die Qualität des Lichtes zu sichern. Das Anforderungsprofil an das Bio-Lichtmodul führt schnell zu einem mehrkanaligen COB-Modul mit der entsprechenden Ansteuerelektronik.

Ein vierkanaliges COB-Modul mit schaltbarem Bio-Modus. Vossloh-Schwabe

Für dieses erste COB-Modul bedeutet es, dass man fünf verschiedene Chipausführungen und den Leuchtstoff benötigt, um diese Anforderung zu erfüllen.
Mit diesem ersten Bio-Modul lassen sich zirka 3000 lm erzeugen. Eine Versuchsreihe mit diversen Krankenhäusern und Hochschulen läuft bereits, aber die gesamte Auswertung benötigt viel Zeit, gegebenenfalls Jahre, bis das endgültige Ergebnis vorliegt.

Licht für Lebewesen

Die biologische Wirksamkeit des Lichts bezieht sich nicht nur auf den menschlichen Organismus sondern ebenfalls auf Pflanzen und Tiere.

Die spektrale Zusammensetzung der vier Kanäle.Vossloh-Schwabe

Ein zu lösendes Kernproblem der Zukunft stellt beispielsweise die Ernährungssituation von Menschen in großen Städten dar. Die Verfügbarkeit von frischen Nahrungsmitteln zu akzeptablen Preisen und hoher Qualität wird dort ein vorrangiges Ziel sein. Die Aufzucht von Pflanzen ebenso wie die Haltung von Nutztieren gehört ebenfalls dazu. Auch hier kommt der Beleuchtung eine Schlüsselfunktion in der Umsetzung der Ziele zu.

Vom Menschen aus betrachtet, laufen die Aufnahme und die Verarbeitung von Licht in vergleichbaren Prozessen ab; sie richten sich aber an ein geändertes Zielspektrum (der Augen- beziehungsweise der Aufnahme-Empfindlichkeitskurve). Generell ist Lichtanpassung kein neues Thema: die optimierte Beleuchtung sowohl von Tierställen als auch von Gewächshäusern ist schon jahrelang ein angewandtes Hilfsmittel, ohne das ein moderner Stall- oder Treibhausbetrieb undenkbar wäre.

Auf die Zusammensetzung kommt es an

Vossloh-Schwabe entwickelte Chip-on-Board-Module (COB), die gegenüber den bisher bekannten Lichtquellen ein dynamisches adaptierbares Lichtspektrum aufweisen.

Die biologische Wirkung von LED-Licht nimmt Einfluss auf das Wachstum von Pflanzen.Vossloh-Schwabe

Die Bausteine erzeugen nur die für die Applikation notwendigen und wirksamen Spektren; die unwirksamen Wellenlängenbereiche werden nicht emittiert.

Dies führt in der Anwendung zu einem Effizienzgewinn gegenüber herkömmlichen Lichtquellen, die kontinuierliche Spektren besitzen. Das Gewächshaus der Zukunft wird somit nicht den Nachthimmel mit einem gelben Licht verunreinigen, sondern zweckoptimierte Beleuchtung nutzen, die sich auf ein Minimum an Energie reduzieren lässt.]

(rao)