Belastung durch Elektrosmog & Kunstlicht



Institut für Bauhygiene
Zentralstelle
CH-4000 Basel

Telefon: 032 520 75 00
Faxbox: 032 520 75 01
institut@ bauhygiene.ch



Das elektromagnetische Spektrum

Elektromagnetische Spektrum mit natürlichen und künstlichen Quellen
Graphik: Elektromagnetisches Spektrum  Qulle: IBH

Elektromagnetische Felder, die aus einer magnetischen und einer elektrischen Komponente bestehen, sind seit der Entstehung unserer Umwelt ein fester Bestandteil dessen. Ihnen kommt in der Evolution des Lebens eine entscheidende Rolle zu. Die natürlichen Felder decken ein weites Frequenzspektrum ab, von den statischen, nieder- und hochfrequenten, den Mikrowellen, über das Licht bis zu Röntgen- und Gamma-Strahlung.

Die meisten von aussen auf uns einwirkenden natürlichen Einflüsse können wir nicht bewusst wahrnehmen, denken wir an das Erdmagnetfeld, die elektrischen Potentiale der Atmosphäre, die UV- Strahlung der Sonne, die Radioaktivität von Erde und Kosmos. Nur einen winzigen Teil­be­reich dieses grossen Spektrums können wir mit unseren Sinnen wahrnehmen, nämlich Wärmestrahlung und sichtbares Licht.

Auch die meisten elektrodynamischen und elektrochemischen Abläufe im Körperinnern be­mer­ken wir nicht. Weder den elektromagnetischen Reiz zur Steuerung des Herzrhythmus, noch die ultrafeinen elektro­mag­netischen Schwingungen, mit denen milliarden Zellen pausenlos miteinan­der kommunizieren. Die Informationen unserer Zellen steuern, alle Vorgänge in unserem Körper.

Heute wird kontrovers diskutiert, ob auch elektromagnetische Strahlung im Niedrigdosisbereich aus der Um­welt, insbesondere künstlich erzeugt (Elektrosmog), die innere elektrodynamische und elektro­chemische Kommunikation von Lebewesen beeinflussen kann. Viele in wissenschaftlichen Studien beobachten Effekte lassen eine Beeinflussung auch im Niedrigdosisbereich vermuten. Eine wissenschaftlich fundierte Erklärung für diese Effekte gibt es allerdings nicht. Menschen die auf elektromagnetische Strahlung im Niedrigdosisbereich werden als elektrosensible oder elektrohypersensible Personen bezeichne. Auch die Elektrosensibiliät kann heute wissenschaftlich nicht nachgewiesen werden, aber viele Aussagen von Betroffenen lassen dessen Existenz vermuten.

Dagegen sind biologische Wirkungen bei ener­gie­reicher Einwirkung von Feldern und Strahlung auf Orga­nis­men wissenschaftlich schon lange anerkannt und der Gesetzgeber hat in der Ver­ordnung zum Schutz vor nicht ionisierender Strahlung (NSIV) die gesetzlichen Immissions­grenz­werte auf der Basis dieser Wirkungen festgelegt. Bei tiefen Frequenzen (Nieder­frequenz) sind das Muskelreizungen (z.Bsp. Muskel­zuc­kun­gen, kann beim Herz lebens­be­droh­lich werden), bei höheren Frequenzen (Hochfrequenz, Mikro­welle, IR, Licht …) ist das eine Er­wärmung von Ge­webe (darauf beruht der Mikrowellenofen) und bei noch höheren Frequenzen (UV-C, Röntgen- und Gamma- Strahlung) kommt noch die ionisierende Wirkung (Potenzial Elek­tronen aus Ato­men oder Molekülen zu entfernen) dazu.

ICNIRP- Grenzwertmodel für nichtionisierende Strahlung
Graphik: ICNIRP- Grenzwertmodell  Qulle:IBH


Unsere hochtechnisierte Welt erzeugt heute künstlich eine Vielzahl elektromagnetischer Felder, die sich in ihrer Signalform klar von natürlichen Wellen unterscheiden. Der Anteil an technisch erzeugten Einflüssen, der populistisch als Elektrosmog bezeichnet wird, nimmt in der heutigen zivilisierten Umwelt rasant zu. Unter der Annahme, dass es bei bestimmten Signalformen im Niedrigdosisbereich nicht nur biologische Effekte gibt, sonder auch einen negativen Einfluss auf das Wohlbefinden oder gar die Gesundheit von Lebewesen, haben verschiedene Organisa­tionen und Experten auf der Basis von eigenen Beobachtungen oder im Kontext zu verschie­de­nen Studien Vorsorgewerte weit unterhalb gesetzlicher Grenzwertt formuliert.

Die Bau- und Elektrobiologie geht noch einen Schritt weiter und fordert, dass unnatürliche Um­welt­einflüsse im Rahmen des Machbaren zu minimieren sind. Sie haben aus dieser Sicht für Schlafplätze die Kate­gorien keine, schwache, starke und extreme Auffälligkeit definiert (Richtwerte zum Standard Baubiologische Messtechnik SBM-2008).

Schlaf­plätze werden durch Baubiologen deshalb sehr kritisch betrachtet, weil sie davon ausgehen, dass im Schlaf der mensch­liche Körper besonders empfindlich sei. Er regeneriert sich und schaltet auf ein tieferer Energielevel.

Gleichfelder 

Elektrische Gleichfelder - Elektrostatik

Der elektrischen Feldtheorie liegt die Vorstellung zugrunde, dass jede elektrische Ladung den Raum in ihrer Umgebung verändert, indem sie ein „elektrisches Feld“ um sich herum aufbaut. Ein elektrisches Feld ist ein Raum, in dem eine elektrische Ladung eine Kraft erfährt (Coulomb-Gesetz ). Die elektrischen Feldstärke (E) wird in Volt pro Meter (V/m) quantifiziert.

Die Erde weist zwischen der Ionosphäre, in der entsteht durch die kosmische Einstrahlung eine Ionisation (Überschussladung) von Luftmolekülen. Dabei werden positiv ionisierte Teilchen in Richtung der Erde beschleunigt. Die negativ geladenen Teilchen werden von der Erde weg beschleunigt. In Boden Nähe und im Freien können noch ca. 10'000 Luftionen pro cm² Luft, in Innenräumen weit weniger. Besonders synthetische Umgebungen reduzieren die Zahl von Luftionen erheblich.

Atmosphärisches Gleichfeld in Bodennähe
Graphik: Atmosphärisches elektrisches Gleichfeld in Bodennähe   Quelle: IBH

Bei wolkenlosen Himmel im ebenen Gelände lassen sich in der Luft elektrische Feldstärken um die 100 bis 300 V/m von oben nach unten feststellen. Bei Gewittern entstehen aufgrund der Ladungstrennung in den Wolken jedoch auch wesentlich höhere Feldstärken von 25 bis 35 kV/m. Ab diesen Feldstärken kommt es auch in Form von Blitzen zu Entladungen. Auch der Föhn hat eine erhöhte Luftelektrizität zur Folge.

Das elektrische Potenzial auf der Oberfläche eines leitfähigen Körpers, z.Bsp. dem eines Menschen, verteilt sich in etwa gleichmässig, so dass wir keine Spannungsdifferenzen in der Luft fühlen können. Es wird aber eine indirekte Beeinflussung des biologischen Organismus durch Luftionen, diskutiert, eine These die allerdings nur durch eine ältere Studie, die heute umstritten ist, gestützt wird.

Magnetische Gleichfelder - Magnetostatik

Bewegen sich elektrische Ladungen oder verändert sich eine elektrisches Feld entsteht ein Magnetfeld. Magnetfelder induzieren Ströme in elektrisch leitfähigen Körpern, also auch im Menschen.

Als magnetische Basisgrösse gilt die magnetische Feldstärke (H) mit der Einheit Ampère pro Meter ( A/m). Bei statischen und sich langsam verändernden Magnetfeldern wird aber die magnetische Flussdichte (B) mit der Einheit Tesla (T) weil sich diese viel besser zur Berechnung induzierter Ströme eignet. Gelegentlich trifft man auch die alte Einheit Gauss an (1T = ). Die magnetische Feldstärke und die magnetische Flussdichte sind über die magnetische Permeabilität (magnetische Leitfähigkeit) miteinander Verknüpft. Die meisten Stoffe haben eine Permeabilitätszahl zwischen 1 und 1.001 (der Unterschied zu Vakuum ist somit vernachlässigbar). So genante ferromagnetische Stoffe (Eisen, Kobalt, Nickel) haben sehr viel besser magnetische Leitfähig (300 - 300'000) und eignen sich um magnetische Flüsse zu lenken.

Auch in der Erde verschieben sich elektrische Ladung und so stellt die Erde auch einen riesigen Dynamo dar. Das ungestörte Magnetfeld der Erde beträgt in unseren Breitengraden um die 40μT. Eisenteile beeinflussen aber den Verlauf des Erdfeldes, wenn sie magnetisiert sind können sie lokal gar ein dominanteres Magnetfeld bewirken.

Deshalb wird magnetisierten Eisenteilen, wie Stahlbeschläge und Federn aus Stahl im Bett, Metallen in Möbeln oder Stahl in Bauteilen (Armierungen in der Bodenplatte oder in Stürzen) negative gesundheitliche Wirkung attestiert. Diese lässt sich allerdings wisenschaftlich nicht belegen.

Ähnliches gilt für Felder die von Gleichstromanlagen wie Gleichstrombahn oder Trolleybus ausgehen.

Niederfrequente Wechselfelder 

Langsam veränderliche elektrische Wechselfelder

Bei der elektrischen Hausinstallation haben wir es nicht mit einem statischen elektrischen Potenzial zu tun. Das Potenzial in unseren Starkstromleitungen, Steckdosen, Schaltern und Verteilerdosen wechselt hundert mal pro Sekunden die Polarität. Da unser Startstromnetz mit einer 50 Hz Wechselspannung betrieben wird, schwingen auch die elektrischen Felder, die von diesen Quellen ausgehen mit einer Frequenz von 50 Hertz. Die Stärke eines elektrischen Wechselfeldes (E) wird wie beim statischen elektrischen Feld in V/m ausgewiesen. Ohne spezielle Angaben ist dies nicht der Scheitelwert, sondern der Mittelwert (RMS) der Schwingung. Ein Stromfluss ist für das elektrische Feld nicht notwendig.

Aus einer Drehbewegung sentsteht eine Sinus-Welle
Graphik: Durch die Rotation eines Leiter in einem Magnetfeldentsteht eine Sinusförmiger elektrischer Potenzialänderung, dem
das elektrische Feld gleichzeitig folgt - der zeitlichen Änderungen des elektrischen Feldes sind somit auch sinusförmig

Viele elektronischen Geräte in unserer Hausinstallation, wie Dimmer (Helligkeitsregler), Energiesparlampen, getaktete Netzteile u. a. belasten das Netz und die nähere Umgebung mit Wellen die höhere Frequenzen aufweisen, sogenannte Oberwellen. Je kompakter solche Netzteile und elektronischen Vorschaltgeräte gebaut werden, um so höher ihre Taktfrequenz. Oberwellen verschmutzen auch unsere Stromnetzqualität (verzerren die Sinusform), was heute auch als Dirty Power bezeichnet wird und andere Gerätschaften in ihrer Funktion behindern kann.

Viele Bau- und Elektrobiologen legen grossen Wert (vielleicht gar einen zu grossen) auf die Reduktion von elektrischen Wechselfelder, obwohl eine Wirkung auf den Menschen bei Feldstärken, wie sie im häuslichen Umfeld auftreten können, äusserst umstritten ist. Es gibt kaum wissenschaftliche Studien, die den Einfluss niederrequenter elektrischer Felder im Niederigdosisbereich untersucht haben. Im Sinne des baubiologischen Grundsatzes "Massstab ist die Natur"sind kaum auffällige elektrische Wechselfelder anzustreben. Dies nicht zuletzt auch deshalb, weil in vielen Fällen eine mit einfachen Massnahmen möglich ist.

Langsam veränderliche magnetische Wechselfelder

Sobald Geräte eingeschaltet werden fliesst Strom. Es werden somit Ladungen verschoben und es entstehen magnetische Felder, die mit der selben Frequenz wie der Strom, von dem sie ausgehen, schwingen. Das bedeutet dass Magnetfelder von Geräten und Leitungen im Hause, wie auch Kabel und Freileitungen der Energieversorger und Elektrizitätswerke (Hochspannungsleitungen), auch eine 50Hz-Schwigung aufweisen. Oft zeigen sich auch Frequenzen von Oberwellen im Magnetfeld. Bahnanlagen erzeugen Felder die mit 16 2/3 Hz schwingen.

Da die Magnetfelder in Abhängigkeit zum Stromfluss steht und dieser abhängig vom Verbrauch stark schwanken kann, ändert die davon ausgehenden Stärke des magnetischen Wechselfeldes zeitlich auch.

Ob die Magnetfelder Luft, Mauern, Humus oder Fels durchdringen müssen macht faktisch keinen Unterschied, weil der Unterschied der magnetischen Leitfähigkeit dieser Materialien sich nicht mal ein Promille beträgt. Nur mit ferromagnetischen Materialien Lassen sich Magnetfelder lenken. Dagegen kann man das physikalische Gesetz nutzen, das besagt, dass sich Magnetfelder, die in gegengesetzte Richtung rotieren, sich gegenseitig kompensieren.

Bei einem Hin- und Rückleiter bewegen sich die Ladungen in entgegengesetzte Richtung und somit drehen sich ihre Magnetfelder auch gegeneinander. Nur, um so weiter die beiden Leiter auseinander geführt sind um so weniger überlagern sich ihre Magnetfelder und die Kompensation nimmt ab. Die beste Deckung der Felder erreichen wir mit einem Koaxialkabel, aber bereits auch ein verdrillen der Leiter verbessert die Kompensation signifikant. Gar kene Kompensation haben wir bei Fehlerströmen die über Wasserleitungen oder elektrisch gut leitende Gebäudeteile vagabundieren. Deshalb treten schon bei kleinen vagabundierenden Strömen lokal relativ grosse Magnetfelder auf.

Es gibt heute auch aktive Magnetfeldkompensationsanlagen (es wird ein Gegenmagnetfeld erzeugt, das sich just in time der Magnetfeldimmission anpassen muss) auf dem Markt.

Bei allen andern auf dem Markt angepriesenen Neutralistoren und Harmonie­rungs­geräte kann physikalisch keine Reduzierung des Feldes nachgewiesen werden.

Hochfrequente elektromagnetische Strahlung 

Schwingungen ab 30 kHz werden als Hochfrequenz bezeichnet. Mit der englische Bezeichnung „High Frequency“ ist allerdings nur der Frequenzbereich von 3 – 30 MHz gemeint. Wellen ab 30 - 300 MHz, kennt man auch als „Radio Frequency“ und welche von 0.3 - 300 GHz als „Micro Waves“.

Abstrahlung von Wellen von einem Dipol

Elektromagnetische Wellen können sich bei ausreichend grosser Antenne (je tiefer die Frquenz um so länger die Antenne) schon ab 9 KHz von ihrer Quelle lösen und in die Ferne strahlen. Den Bereich, in dem die Felder immer noch mit der Quelle verbunden sind wird als Nahfeld bezeichnet. Die Ausdehnung des Nahfeldes ist von der Frequenz und der Geometrie der Antenne abhängig. Als Faustregel kann man ab einer Distanz, die vier Wellenlängen entspricht, vom Fernfeldbedingungen ausgehen. Im Fernfeld stehet die elektrische und die magnetische Feldkomponente über den Freifeldwiderstand in direkter Abhängigkeit zueinader. Das bedeutet, wenn wir die eine physikalische Grösse kennen, dann können wir die andere Komponente errechnen (was im Nahfeld nicht der Fall ist). In Deutschland und Österreich orientiert man sich oft an der Leistungsflussdichte (S) mit der Einheit Watt pro Quadratmeter (W/m²), die das Produkt des magnetischen Flusses (H)  mit der elektrischen Feldstärke darstellt. In der Schweiz sind die Grenzwerte für die elektrische Feldstärke definiert.

Funksender (Funkstrahlung)

Sinusförmige hochfrequente elektromagnetische Wellen (Continius Wave) werden in der Funktechnik als Träger für Informationen benutzt, die diesem Träger aufmoduliert werden. Die Modulation verändert die Trägerwelle je nach Methode in ihrer Ampltude (AM), Frequenz (FM) und Phase (PM / PSK). Moderne digitale Funktechnologien kombinieren mehrere Basismodulationen um den Datendurchsatz zu erhöhen. Dadurch entstehen sehr komplexe Signalformen.

Funkmodulation: AM, FM, PSK, QAM
Graphik: Verschiedene Modulationsverfahren   Quelle: IBH

Für Funktechnologien werden verschiedene Frequenzbänder verwendet. Kurz-, Mittel- und Langwellensender werden in unseren Regionen nur noch von Funkamateuren betrieben. Rundfunksender stehen oft in grosser Entfehrnung zu Wohngebieten. Hingegen sind Mobilfunksender mitten in dicht besiedelten Gebieten installiert und konzentrieren ihre Sendeleistung mit gerichteten Antennen wie Scheinwerfer in sogenannte Hauptstrahlrichtungen. Die kleinste Distanz und deshalb in vielen Gebäuden am dominantesten, weisen Sender auf, die sich im Gebäude befinden, wie z.Bsp. Schnurostelefon (DECT) und Drahtlose Computernetzwerke (WLAN). Aber aufgepasst, auch PLC-Netzwerke (Computernetzwerke über die Starkstromsteckdose) strahlen im Kurz- und Mittelwellenbereich ab.

Die Eindringtiefe in leitfähige Stoffe (z.B. den Menschen) ist frequenzabhängig und verringert sich mit zunehmender Frequenz. Bei den beobachten biologischen Effekt im Niederigdosisbereich zeigen viele Experimente, dass nicht nur die Frequenz des Trägers und die Feldstärke einen Effekt begünstigen, dass auch der Modulationsart ein entscheidender Faktor darstellt. Über die Gesundheitsrelevanz dieser Effekte im Niederigdosisbereich ist sich die Wissenschaft bis heute uneinig. Die heute geltenden gesetzlichen Grenzwerte stützen auf das anerkannte Modell einer Gefährdung der Gesundheit durch thermische Wirkung, die aber nur bei hohem Energieeintrag relevant ist.

In vielen Fällen läst sich die Belastung durch Funkstrahlung reduzieren, in dem die Strahlung an elektrisch leitfähigen Flächen reflektert wird oder von speziellen Materialien absorbieren läst. Auch hier zeigen die vielen auf dem Markt angeboten Wundergerätchen, Chips und sonstigen Harmonisierer keine nachweisbare Wirkung.

Licht & Beleuchtung

Das Lichtspektrum

Beleuchtungen setzen wir überall dort ein, wo Menschen sich öfters auch bei fehlendem Tageslicht aufhalten oder das vorhandene Tageslicht nicht ausreicht. Erst durch Licht werden für das menschliche Auge Objekte erfassbar. Licht hat aber auch so genannte „biologische Lichtwirkungen“. Sie beeinflussen das vegetative Nervensystem, also unwillkürliche, biologische Abläufe. Sie werden nicht über den für das Sehen verantwortlichen neuronalen Pfad vermittelt, sondern via Hypothalamus, einem der ältesten Teile des menschlichen Gehirns.

Licht stellt einen Frequenzbereich der elektromagnetischen Wellen dar. Das Auge setzt aber nicht das ganze Lichtspektrum in neuronale Bildsignale um. Der Bereich (780 nm - 1 mm) mit Frequenzen unterhalb des für Menschen sichtbaren Lichtes bis hin zur Mikrowelle wird als Infrarot (IR) bezeichnet. IR-Wellen werden von Lebewesen als Wärmestrahlung wahrgenommen. Auf die Unterteilung des IR wird an dieser Stelle verzichtet. Ein Teil dieses langwelligen Lichtes von der Sonne erreicht uns kaum, weil dieser Bereich des IR weitgehendst von der Atmosphäre absorbiert wird. Diese Begebenheit wird von technischen Anwendungen gerade deshalb genutzt, weil das Nutzsignal, stammend von einer IR-Diode oder der Wärmestrahlung eines Körpers, nicht vom Sonnenlicht überstrahlt wird. Aktive IR-Sensoren (z. B. Lichtschranken) arbeiten oft mit einer Wellenlänge um die 900nm und mit einer IR- LED, die gepulstes IR- Licht aussendet.

Der Bereich (nm) mit Frequenzen oberhalb des sichtbaren Lichts bis hin zur Röntgenstrahlung wird als Ultraviolett (UV) bezeichnet. Dieses kurzwellige Licht wird in UV-A (Wellenlängen von 400 - 320 nm), UV-B (Wellenlängen von 320 - 280 nm) und UV-C (Wellenlängen von 280 - 100 nm) unterteilt.

Biologische Wirkungen von Licht

Jedes Lebewesen hat eine eigene innere Uhr. Auch im Dunkeln bleibt ein regelmässiger Schlaf-Wach- Rhythmus erhalten. Hormonspiegel und andere Körperfunktionen stehen in Abhängigkeit zur inneren Uhr. So schüttet die Zirbeldrüse in der Nacht das Hormon Melatonin aus, am frühen Morgen geht die Produktion zurück. Der Tagesrhythmus des Menschen entspricht jedoch nicht genau 24 Stunden, er ist etwas länger. Damit sich die innere Uhr nicht gegenüber der Aussenzeit verschiebt, wird sie täglich mit externen Bedingungen synchronisiert. Diese Rolle fällt in erster Linie dem Lichtwechsel zu. Am Morgen vermag Licht den Tagesrhythmus am effektivsten zu „synchronisieren“, gegen Abend hingegen bewirkt es eher eine gegenteilige Reaktion, dies vor allem bei Licht in der Nacht. Licht hemmt auch die Melatonin-Ausschüttung. Untersuchungen haben ergeben, dass Beleuchtungsstärken zwischen 90 und 180 Lux am Auge bereits solche Reaktionen auslösen und dass sich der Tagesrhythmus durch blaues Licht am stärksten beeinflussen lässt.

Licht hat nicht nur auf das Auge einen Einfluss, auch die Haut hat eine „Lichtempfindlichkeit“, vor allem im Bereich unter und oberhalb des sichtbaren Lichtes. Schlussendlich beeinflusst das Licht aber auch unsere Psyche. Epidemiologische Studien zeigen, dass in Mitteleuropa etwa 10 % der Bevölkerung im Winter unter Symptomen wie Müdigkeit, Niedergeschlagenheit, Energielosigkeit, Konzentrationsschwäche und Depressionen leiden. Man geht davon aus, dass Licht die Serotonin-Produktion positiv beeinflusst. Dieses Hormon hat einen Einfluss auf die Stimmung.

Umweltpsychologische Untersuchungen zeigen, dass Licht aktivierend wirkt. Eine Beleuchtungsstärke von über 100 Lux macht munter und die Leistungsfähigkeit steigt mit zunehmender Beleuchtungsstärke. Auch wechselnde Lichtstärken stimulieren den Menschen. Für diese Wirkungen zählt die auf das Auge auftreffende Lichtmenge. Nicht allein die Helligkeit auf der Arbeitsfläche, sondern auch diejenige der Umgebung ist von Bedeutung für die Lichtmenge, die zum Auge gelangt. Nach Christoph Schierz vom Institut für Hygiene und Arbeitsphysiologie der ETH Zürich soll bei rein künstlicher Beleuchtung das Verhältnis zwischen Beleuchtungsstärke am horizontal blickenden Auge und auf der Arbeitsfläche mindestens 1:3 betragen.

Aber auch zu viel Licht wirkt unangenehm. Über dem Optimum wirken die Personen gereizt und können sich nicht konzentrieren, darunter werden sie müde und schläfrig. Das Optimum kann je nach Tätigkeit, individuellen Vorlieben oder Tageslichteinflüssen unterschiedlich sein. Nicht nur die Beleuchtungsstärke, auch Kontraste haben ihren Einfluss. Zu schnelle Lichtstärkenänderungen bedeuten in der Regel Stress für den Menschen, Stroboskope können gar Epilepsie auslösen. Ein weiterer Faktor ist die Lichtfarbe, genauer das Farbspektrum des Lichtes. Es gibt Studien, die starkem UV und blauem Licht eine Stressbelastung im Energiestoffwechsel der Netzhaut attestieren. Dagegen soll langwelliges Licht (Rot und nahes IR) eine reparative Wirkung haben.

Künstliche Beleuchtung

Heute werden in Gebäuden vor allem Glühlampen und Gasentladungslampen eingesetzt. LED-Leuchten werden bis heute kaum für Raumbeleuchtungen verwendet, dafür aber immer mehr in Schreibtisch- und Leseleuchten.

Lichtspektrum von Halogenglühlampe, Leuchtstofflampen und LED im Vergleich
Graphik: Lichtspektrum verschiedene Leuchtmittel im Vergleich  Quelle: IBH

Die Glühlampe

Seit der Erfindung von Thomas Edison ist die Glühlampe aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. In einer Glühlampe wird ein elektrischer Leiter, der Glühwendel, durch Stromfluss so stark erhitzt, dass er glüht. Die aufgenommene elektrische Leistung wird zu einem Teil in Form elektromagnetischer Strahlung (Infrarot- und sichtbares Licht) abgestrahlt. Der Rest wird über Wärmeleitung und Wärmekonvektion an Füllgas und Glaskolben sowie Zuleitungsund Haltedrähte der Glühwendel abgegeben.

Eine modifizierte Glühlampe ist die Halogenglühlampe. Dabei bewirkt die Zugabe des Halogens Brom oder Jod eine Steigerung der Betriebstemperatur, was ein „weisseres“ Licht bewirkt und zu einer höheren Lichtstärke bei gleicher Gesamtleistung führt. Mit einer Glasabdeckung wird der für die Augen problematische UV-Strahlungsanteil stark reduziert.

Gasentladungslampen


Bei Gasentladungslampen erfolgt die Lichterzeugung über die Rekombinationsstrahlung, eines durch elektrische Entladung erzeugtes Plasma.

Gasentladungslampen finden im Innenraum vor allem in Form von Leuchtstoffröhren (FL) und Energiesparlampen Anwendung. Diese Geräte sind mit Glühkathoden ausgerüstet. Durch Glühemission sinkt die erforderliche Betriebsspannung auf Werte ab, die einen Betrieb über ein kompaktes Vorschaltgerät direkt an der Netzspannung ermöglicht. Als Gasfüllung dient Quecksilberdampf (Emission von UV) und zusätzlich meist Argon. Die Ultraviolettstrahlung wird von der Leuchtstoff-Beschichtung in sichtbares Licht umgewandelt.

Heute wird ca. 70% des künstlichen Lichtes mit solchen Fluoreszenzlampen erzeugt, die bei gleichem Stromverbrauch wesentlich mehr sichtbares Licht abgeben als Glühlampen (herkömmliche Glühlampe ca. 5-12 lm/W, Halogenglühlampen 10-25 lm/W, Leuchtstofflampe 40-90 lm/W, Kompaktleuchtstofflampen 40-60 lm/W).

Die Entladung bei Gasentladungslampen erfolgt im Rhythmus der anliegenden Wechselspannung, was zum bekannten Flimmern im 100 Hz-Takt von Leuchtkörpern führt, die mit einer 50 Hz-Wechselspannung betrieben werden. Mit den üblichen elektronischen Vorschaltgeräten wird die Frequenz auf 20 bis 60 kHz erhöht, was zu einem Flimmern führt, das der menschliche Sehsinn nicht mehr bewusst als wechselndes Licht wahrnimmt. Ob das hochfrequente Flackern zu biologischen Effekten führt, kann bisher nicht nachgewiesen werden.

Flackern: Glühlampe im Vergleich mit FL mit KVG und FL mit EVG
Graphik: Lichtstrom verschiedener Leuchtmittel im Vergleich  Quelle: IBH

Elektronische Vorschaltgeräte (EVG) sind im Gegensatz zu konventionellen Vorschaltgeräten (KVG) dimmbar und energieeffizienter, haben dafür aber andere, nicht unbedeutende Nachteile. Die Schaltregelkreise von EVGs erzeugen durch den darin befindlichen Schaltregler breitbandige hochfrequente Strahlung, die von der Lampe und deren Zuleitungen abgestrahlt werden. Die billig produzierten EVGs mit Leistungen bis zu 25 W – dies betrifft vor allem die als Energiesparlampen bezeichneten Kompaktleuchtstofflampen – sind wahre „Dreckschleudern“. Sparlampen strahlen im Bereich von niederfrequenten Wellen über Lang-, Mittel-, bis zur Kurzwelle einiges mehr ab als TCO-zertifizierte Bildschirme. Eine hohe Dichte mit Leuchten, die mit EVGs ausgerüstet sind, hat zur Folge, dass die Qualität des Starkstromnetzes stark beeinträchtigt wird (Dirty Power), so dass die Lebensdauer der EVGs und anderer empfindlicher Geräte am Netz massiv reduziert wird. Flimmerarme Leuchtstofflampen sind auch ohne EVG machbar. Zwei parallele Röhren mit KVG oder besser mit VVG lassen sich phasenverschoben betreiben, so dass immer nur eine der beiden Röhren in dem gemeinsamen Leuchtenkörper dunkel ist und somit das Flimmern stark reduziert wird. Ein großer Nachteil von Leuchtstoffröhren [z. B. Sparlampe Bild 4 blau] ist auch, dass sie im Gegensatz zur Glühlampe kein kontinuierliches Farbspektrum aufweisen. Bereits eine Verbesserung zu den billigsten Produkten hinsichtlich Farbwiedergabe und dem erzielten Lichtstrom sind die heute weitverbreiteten „Drei-Banden-Leuchtstofflampen“. Hierbei besteht die Leuchtstoffbeschichtung aus einer Mischung von drei Leuchtstoffen, die im roten, grünen, und blauen Bereich des sichtbaren Spektrums relativ scharfbandige Emissionen zeigen und deren Spektren sich in der Lampe zu weißem Licht addieren. Die beste Farbwiedergabe haben sogenannte Vollspektrum-Leuchtstofflampe. Das Spektrum ist tageslichtähnlich, deckt beinahe das ganze Spektrum ab. Dies wird durch Einsatz von mindestens vier unterschiedlichen und möglichst breitbandigen Leuchtstoffen erreicht. Aber auch diese speziellen Lampen zeigen je Leuchtmittel eine unnatürliche, ausgeprägte Emissionsspitze. Weil bei Kompaktgeräten nicht so breitbandige Leuchtstoffe eingesetzt werden können, erreichen Energiesparlampen nicht die Qualität der spektralen Abdeckung wie Vollspektrum-Röhrenlampen.

Leuchtdiode LED

Eine Leuchtdiode, auch LED (Light Emitting Diode) genannt, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie sichtbares Licht, IR- oder UV-Strahlung mit einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge ab. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich; das Licht ist nahezu monochrom. Die Leuchtkraft von LEDs nimmt mit zunehmender Alterung merklich ab. Rote, grüne und gelbe LEDs kommen in der Elektronik schon seit langem zur Anwendung. Blaue und UV-LED konnten erst in jüngster Zeit wirtschaftlich hergestellt werden.

Bei einer weissen LED wird eine blaue oder UV-LED mit einem Fluoreszenzfarbstoff (Leuchtstoff) kombiniert. Wie bei Leuchtstofflampen kann so kurzwelliges (Blau und UV) in langwelliges Licht umgewandelt werden. Die spektrale Bandbreite ist aber breiter als bei Leuchtstoffröhren. Die Verwendung mehrerer Farbstoffe ergeben zwar ein qualitativ besseres Weiß, verteuert aber die Herstellung und reduziert die Lichtausbeute. Preiswerte weisse LEDs bestehen in der Regel aus einer blauen LED mit einer darüber liegenden gelblich fluoreszierenden Schicht [Bild 4 gelb].

Eine andere Technologie ist die Erzeugung von weissem Licht aus der Kombination mehrerer Dioden unterschiedlicher Farbe in einem Gehäuse, die aber einzeln angesteuert werden können. Die Addition dieser schmalbandigen Einzelfarben lässt dann auch ein als weiß interpretiertes Licht zu, dessen Farbe, wie bei einem Farbbildschirm über die Ansteuerung verändert werden kann. Die spektrale Lichtverteilung der RGB-LED ist dabei vergleichbar mit einer dreibandigen Leuchtstofflampe. Heute erhältliche LED-Leuchten fallen durch eine stark gerichtete Lichtverteilung auf. Auf Grund des spitzen Abstrahlkegels müssen wir im Vergleich mit anderen Arbeitsleuchten den Abstand zur Arbeitsfläche vergrößern, um eine genügend große Arbeitsfläche zu beleuchten. Dabei ist zu beachten, dass Lichtstärke in quadratischer Abhängigkeit zur Distanz steht.

Die Lichtausbeute weisser Standard- LEDs ist um die 60 lm/W und somit ca. viermal so hoch wie die einer Glühlampe. Um eine 60 W-Glühlampe zu ersetzen, benötigen wir also eine Leuchte, deren LED-Array 15 W ergibt (noch sehr teuer).

Sonnenlicht zur Beleuchtung von Gebäuden

Auf künstliche Beleuchtung kann in unserer Gesellschaft nicht mehr verzichtet werden. Es gilt aber, so viel wie möglich Sonnenlicht zu nutzen. Mit genügend Fensterfläche und intelligenter Beschattungslösung lässt sich der Einsatz von Kunstlicht in Bauten reduzieren. Selbst an einem nebligen Tag herrschen draussen am Mittag Beleuchtungsstärken von bis zu 3000 Lux. Mit der besseren Nutzung von Tageslicht ist vor allem in gewerblichen und öffentlichen Bauten ein großes Sparpotential vorhanden. Eines, das weitaus größer ist, als der Ersatz von Glühlampen mit Energiesparlampen.

Leuchtstofflampen haben ihre Berechtigung, besonders als Grundbeleuchtung in Arbeitsräumen und öffentlichen Bauten. Dabei sollten aus baubiologischer Sicht möglichst Röhrenlampen mit kompensiertem VVG und elektronischen Startern in Duoschaltung verwendet werden. Die Emission niederfrequenter elektrischer Wechselfelder ist mit einem geeigneten Leuchtengehäuse zu minimieren. In Schreibtisch- oder Leselampen sind Halogenglühlampen, die ohne Netzgerät und Transformator auskommen, den Kompaktleuchtstofflampen klar vorzuziehen. In diesem Einsatzbereich stellen LED-Leuchten eine Alternative dar. Zunehmend setzen sich trotz schlechter Lichtqualität aber auch LED als Raumbeleuchtungdurch.

Weiterhin sollen Halogenglühlampen am Essplatz für behagliches Licht sorgen. Noch mehr Gemütlichkeit schafft nur Kerzenlicht, das weitaus weniger energieeffizient ist, Sauerstoff verbraucht und die Raumluft nicht mit Russ belastet.

Mehr zum Thema Beleuchtung und Gesundheit:

Vortragsfolien: Künstliche Lichtquellen aus der Sicht der Baubiologie >