Meilensteine der Elektronik Geschichte, Gegenwart und Zukunft der Lichtquellen

Die Entwicklung der Lichtquellen ist eng mit den Fortschritten in der Elektrotechnik, Elektronik, aber auch der Werkstoffwissenschaft verbunden. Lesen Sie hier die Historie von „plus lucis“ (mehr Licht).

Für lange Zeit war die Sonne die einzige Lichtquelle der Menschheit. Vor etwa 300.000 Jahren lernte der prähistorische Mensch das Feuer als Wärme- und Lichtquelle zu nutzen. Lagerfeuer – später Kienspäne, Fackeln, Öl- und Talglampen sowie Kerzen – machten das Licht transportierbar.

Revolutionär war zu Beginn der Neuzeit die Nutzung fossiler Brennstoffe im 18. und 19. Jahrhundert: Kohle, Erdöl und Gas dienten zum Erzeugen von Energie und Licht. Mit der korrespondierenden Industrialisierung der Gaserzeugung in den großen Städten begann der Einzug von Gasflammenlampen in die öffentliche Beleuchtung.

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Die Anfänge der Gasbeleuchtung reichen bis ins 18. Jahrhundert zurück. Bereits 1807 hatte in London Friedrich Albert Winzer (F. A. Winsor genannt) eine Seite der Prachtstraße „Pall Mall“ per Gasflammenlicht illuminiert. Am 19. Juni 1812 wurde von Wilhelm August Lampadius, Professor für Chemie und Hüttenkunde an der Bergakademie Freiberg, an seinem Freiberger Wohnhaus in der Fischerstraße und wenig später auf dem Obermarkt an der Wache das erste deutsche öffentliche Gasflammenlicht installiert [1].

In London ist die erste öffentliche Gasbeleuchtung für den 1. April 1814 dokumentiert, als die alten Öllampen um die St. Margarets Church in Westminster durch die neuen Gasflammenlampen ersetzt wurden [2]. In Deutschland erbaute Lampadius 1816 auch das erste öffentliche Steinkohlen-Gaswerk in Halsbrücke bei Freiberg und gilt damit als der Pionier der kontinentaleuropäischen Gasindustrie [3].

Die Entwicklung von verbesserten Lichtquellen ist nachfolgend eng verknüpft mit dem Verständnis naturwissenschaftlicher Zusammenhänge, insbesondere der Chemie, der Physik und Elektrotechnik sowie Metallurgie und Werkstoffwissenschaft. Obwohl schon frühzeitig zu Beginn des 19. Jahrhunderts Versuche zur Lichterzeugung mittels glühender Fäden (Warren de la Rue, Platindraht, 1809, Großbritannien; W. Pétrie, Iridiumdraht, 1849, Großbritannien; Heinrich Goebel, Kohlefasern, 1854, Deutschland) durchgeführt wurden, brachte erst die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips durch Werner von Siemens (1867) sowie die Entwicklung der Kohlefadenlampe durch Thomas Alva Edison und Joseph Wilson Swan im Jahr 1879 den Durchbruch für den Beginn der Industrialisierung und der weltweiten Verbreitung der elektrischen Beleuchtung.

Von Beginn an zeigten jedoch die verschiedenen Kohlenstofffäden (Papier, Baumwolle, Bambus, Graphit), die in den frühen Lampen verwendet wurden, nur eine geringe Lichtausbeute, eine kurze Lebensdauer aufgrund schlechter Vakuen sowie eine Schwärzung des Lampenkolbens und eine ausgeprägte Sprödigkeit/Brüchigkeit des Leuchtkörpers. Schon bald begann deshalb die Suche nach verbesserten Leuchtkörpermaterialien sowie Lichterzeugungsprizipien, die in der Gasglühstrumpflampe von Carl Auer von Welsbach 1885 [4] und in der sogenannten Nernst-Lampe 1898 [5] resultierten.

Während die Nernst-Lampe nur begrenzte Anwendung fand und die Kohlefadenlampen von den wenig später folgenden Metallfadenlampen (Osmium, Tantal, Wolfram) überholt wurden, breitete sich das Auer-Gasglühlicht rasch aus (1893 bis 1896 flächendeckende Einführung in Berlin).

Als historische Straßenbeleuchtung ist das „Auerlicht“ auch heute noch, vor allem in Berlin mit dem Gaslaternen-Freilichtmuseum im Tiergarten, aber auch in den USA von Boston bis San Francisco in nostalgischen „gas lantern quarters“ zu finden. Die über 130 Jahre alte Tradion ist aus Gründen der Energieineffizienz in Deutschland vom Niedergang bedroht, obwohl es vielfältige Bestrebungen gibt, die historischen Gaslaternen mit ihrem speziellen nostalgischen Licht als Kulturgut zu erhalten.

Die historische Evolution von elektrischen Lichtquellen

Das elektrische Licht setzte sich schnell durch. Seit Beginn wiesen die Edison-Lampen jedoch neben der niedrigen Lichtausbeute (1,4 lm/W) den Nachteil einer starken Schwärzung des Kolbens aufgrund schlechter Vakuen, einer dadurch bedingten kurzen Lebensdauer (40 h) und vor allem aber eine starke Erschütterungs- und Bruchanfälligkeit auf.

Das Auer-Gasglühlicht war mit einer Lichtausbeute von etwa 4 lm/W zumindest in der öffentlichen Beleuchtung weit überlegen. Das Wachstum der Elektroindustrie und die aufblühende Lichtquellenindustrie führten in dieser Zeit auch dazu, dass 1882 an der Technischen Hochschule in Berlin der weltweit erste Lehrstuhl für Lichttechnik entstand. Hermann Wilhelm Vogel hielt 1882/83 die erste lichttechnische Vorlesung „Über elektrisches Licht und Beleuchtungswesen“ [6].

Schon bald begann die Suche nach besseren und neuen Glühfadenmaterialien. Es war erneut Auer von Welsbach, der 1898 die erste Metallfadenlampe mit „gespritztem“ Osmiumfaden als Glühkörper entwickelte [7]. 1902 folgte die Tantallampe (Siemens & Halske AG), nachdem Werner von Bolton und Otto Feuerlein ein Draht-Ziehverfahren für die Herstellung von 50 µm feinen Tantaldrähten entwickelt hatten [8]. Bereits 1903 und 1904 folgten die ersten Wolframlampen mit gespritzten Fäden auf der Basis der Patente von Alexander (Sándor) Just und Franjo (Franz) Hanaman [9, 10].

Die Bilder 2a bis 2d zeigen vier frühe Beispiele aus der ersten Dekade des vorigen Jahrhunderts: Das „Centennial Light“von 1901, eine Edison-Lampe in der Feuerwache Nr. 6 in Livermore, USA, die heute noch funktioniert, die Just-Wolframlampe mit einem mit Wolfram gasphasenbeschichtetem Kohlefaden (Wotan 1904 und OSRAM 1906) sowie MAZDA, die erste kommerzielle Coolidge-Lampe mit gezogenem Wolframdraht (1911).

Von 1905 bis 1911 wurden die meisten Wolframfäden nach Justs Spritztechnologie [10] hergestellt, bis 1909 mit den Arbeiten des Amerikaners William David Coolidge der technologische Durchbruch zur Herstellung gezogener Wolframdrähte erzielt wurde. Die Technologie revolutionierte nicht nur die Lichtquellenindustrie, sondern bildete auch den Ursprung der modernen Pulvermetallurgie [11]. Ausführliche Übersichten zu den frühen metallurgischen Versuchen einschließlich des Coolidge-Prozesses finden sich in [11 bis 14, 16].

Temperaturstrahler und Entladungslampen

Die heutigen Lichtquellen lassen sich nach der Art der Lichterzeugung in drei Kategorien gliedern [26]:

• Strahlungsemission eines Festkörpers im thermischen Gleichgewicht (Temperaturstrahler: Glühlampen, Halogenglühlampen, Infra Red Coating(IRC)-Halogenlampen),

• Stoßanregung von Atomen, Ionen oder Molekülen in der Gasphase (Gasentladungslampen: Leuchtstofflampen, Kompaktlampen, Quecksilberhochdrucklampen, Halogen-Metalldampflampen, Natrium-Niederdrucklampen, Natrium-Hochdrucklampen),

• Rekombination von negativen und positiven Ladungsträgern in Festkörpern (LEDs, OLEDs, PLEDs).

Die Vielfalt der Temperaturstrahler mit ihren Kolbenformen, Eigenschaften und Nachteilen ist mit der EU-Verordnung EG Nr. 245/2009 Vergangenheit, lediglich ausgewählte Halogenglühlampen werden dem Verbraucher wohl bis 2018 erhalten bleiben. Für einen Überblick ist die Entwicklung der Lichtausbeute (lm/W) für historische und gegenwärtige Lampentypen in Tabelle 1 zusammengefasst.

In Glüh- und Halogenlampen werden gewendelte Wolframdrähte (Durchmesser etwa 10 µm bis 0,5 mm) durch Widerstandserwärmung auf 2600 bis 3400 K erhitzt. Die emittierte Strahlung liegt im sichtbaren und überwiegend im infraroten Spektralbereich (Planck-Verteilung). Da der Anteil an sichtbarem Licht mit der Temperatur zunimmt, soll die Wendeltemperatur aus Effizienzgründen möglichst hoch sein. Der damit verbundenen höheren Abdampfung des Wolframs wird durch Lampenfüllungen (Stickstoff, Argon, Krypton, Xenon) sowie einer zusätzlichen Halogendosierung des Füllgases zur Verminderung der Kolbenschwärzung entgegengetreten (Halogenkreisprozess).

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