Biologisch wirk­sames Licht für pri­vaten Einsatz

Die Basis für die Entwicklung von biologisch wirksamen Leuchten, von sogenannter circadianer Beleuchtung, bilden verschiedene Aspekte. Dazu gehören neue wissenschaftliche Erkenntnisse zum Aufbau des Auges und zur Wirkung von dessen Sensorzellen sowie die Weiterentwicklung insbesondere der LED-Technik, der Sensortechnologie und der Embedded-Computer-Technik. Das Competence Center Electronics (CC Electronics) der Hochschule Luzern – Technik & Architektur hat auf Basis dieser Erkenntnisse und Technologien eine innovative Leuchte entwickelt und ist dank dem funktionsfähigen Demonstrator in der Lage, das gewonnene Know-how in weitere angewandte Forschungsprojekte einfliessen zu lassen.

Natürliche Regelung der Melatonin-Produktion

Erst 2001 haben Wissenschaftler entdeckt, dass es im Auge Zellen gibt, die nicht für das Sehen zuständig sind, sondern bei der Synchronisation der «inneren Uhr» des Menschen mithelfen. Über diesen Wirkungsmechanismus steuert der natürliche Tageslichtverlauf den Spiegel des Schlafhormons Melatonin: Tagsüber wird dessen Ausschüttung gehemmt, nachts steigt der Hormonspiegel an. Aber auch mit einer geeigneten Beleuchtung kann diese Tag-Nacht-Rhythmik beeinflusst werden. Das untenstehende Bild zeigt, welches Licht eine circadiane Kunstlicht-Beleuchtung erzeugen muss, sowie den typischen Verlauf des Melatonin-Hormonspiegels (orange Kurve). Während des Tages wird das Tageslicht imitiert (blaue Kurve), in der Nacht wird Licht eingesetzt, das die Melatonin-Produktion nicht beeinträchtigt (rote Kurve). Eine biologisch wirksame Leuchte muss also abhängig von der Uhrzeit das Licht dynamisch verändern, dies im Gegensatz zur heute üblichen statischen Beleuchtung. Ein solches Lichtkonzept für eine menschengerechte Beleuchtung bezeichnet man auch als «Human Centric Lighting» (HCL).

Lichtspektrum, Intensität und Einfallswinkel

Entscheidend für die biologische Wirksamkeit sind das Lichtspektrum und die Intensität des Lichtes. Die Zellen im Auge, die bei der Tag-Nacht-Synchronisation helfen, sind für blaues Licht am empfindlichsten. Je grösser der Blauanteil von Licht ist, desto stärker wird die Produktion des Schlafhormons Melatonin unterdrückt. Das kaltweisse Licht des Himmels, dessen Farbtemperatur im Bereich zwischen 6000 und 10000 K liegt, hat einen hohen Blauanteil. Licht mit einer Farbtemperatur von weniger als 3000 K hat aufgrund der geringen Blauanteile hingegen keine anregende Wirkung und kann darum für die Nachtbeleuchtung verwendet werden.
Die minimale Beleuchtungsstärke muss gemäss Fachbericht DIN SPEC 67600, der Planungsempfehlungen für biologisch wirksame Beleuchtung gibt, 250 lx betragen, horizontal auf Augenhöhe gemessen. Für ein Büro mit 37 m² Fläche soll die Farbtemperatur im Bereich von < 3000 K bis > 5300 K liegen und die Beleuchtungsstärke von 500 bis 900 lx über den Tag variieren.

Neben Lichtfarbe und -intensität ist der Einfallswinkel des Lichtes zu berücksichtigen. Typischerweise tritt reflektiertes Licht von den Wänden und der Decke im richtigen Winkel in das Auge ein, also so, dass es auf die Zone der Tag-Nacht-empfindlichen Sensorzellen trifft. Entsprechend muss eine HCL-Leuchte Decke und Wände flächig anstrahlen. Dieses indirekte Licht macht dann einen Grossteil des biologisch relevanten Kunstlichts aus. Das spezifisch fürs Sehen notwendige Kunstlicht kann zusätzlich mit Licht, das auf die Arbeitsfläche gerichtet ist, erzeugt werden.

Human Centric Lighting für den privaten Gebrauch

Das Ziel der angewandten Forschungsaktivitäten am CC Electronics der Hochschule Luzern ist es, eine HCL-Leuchte für den privaten Einsatz zu entwickeln. Dabei ist der Gebrauch möglichst einfach und intuitiv zu gestalten. Die Leuchte muss biologisch effektives sowie qualitativ gutes Licht gemäss den traditionellen Kriterien für Leuchten nach DIN SN/EN 12464-1 erzeugen. Wie oben erläutert, braucht die circadiane Beleuchtung eine höhere Lichtintensität. Verglichen mit einer konventionellen LED-Beleuchtung wird mehr Energie gebraucht, weshalb die Leuchte sehr effizient sein muss. Sie soll ausserdem eine im Privatheim übliche Lebensdauer von ein paar Jahren, wenn nicht Jahrzehnten erreichen.

Bei professionellen HCL-Beleuchtungssystemen bilden die Bedieneinheit, die Sensoren, die Stromversorgung und die Leuchten typischerweise separate Einheiten. Dieser Ansatz ist für eine Leuchte im Privatheim zu kompliziert. Darum wird ein Leuchten-Design vorgeschlagen, das alle notwendigen Funktionen in einem Gehäuse integriert. Die Leuchte muss nur montiert und an die Stromversorgung angeschlossen werden, und schon wird das dynamische Licht erzeugt. Die Ausleuchtung der Wände und Decke wird mit einer von der Decke abgesetzten Leuchte, die Licht nach oben abstrahlt, realisiert. Die Beleuchtung der Arbeitsfläche wird mit nach unten strahlendem Licht erzielt. Diese Konfiguration ist im folgenden Bild visualisiert. Der Indirekt-Licht-Anteil der Pendelleuchte wurde gleich gross wie der Direkt-Licht-Anteil gewählt, damit eine genügend helle Ausleuchtung von Decken und Wänden erfolgt.

Funktionalität des Steuermoduls

Die von der Tageszeit abhängige Lichtfarbe und Lichtintensität werden durch einen integrierten Microcontroller und eine Echtzeit-Uhr gesteuert. Die Einstellung der Lichtfarbe verhält sich nicht linear, weshalb die Leuchte kalibriert werden muss. Mithilfe einer ausgeklügelten Microcontroller-Steuerung wird die präzise Einstellung der Farbtemperatur unabhängig von der gewählten Intensität ermöglicht. Im Standard-Modus ergibt sich automatisch ein Tagesverlauf-Profil. Lichtsensoren messen Lichtintensität und Farbtemperatur über die Reflexion an der Decke und auf der Arbeitsfläche. Damit kann das Licht der Leuchte reduziert werden, wenn das Tageslicht genügend Helligkeit in den Raum bringt. Ein integrierter Bewegungsmelder detektiert die Präsenz von Personen und wird für das Ein- und Ausschalten verwendet. Somit helfen die Sensoren, Energie zu sparen. Trotz der Automation ist es erwünscht, dass die Benutzenden die Beleuchtung jederzeit selber anpassen können. Mit den zwei integrierten Drehschaltern können Helligkeit und Farbtemperatur eingestellt werden.
Die Forscher der Hochschule Luzern sind überzeugt, dass zukünftige Leuchten zu smarten integrierten Systemen werden, die auf der Fusion von Elektronik, Sensorik, Embedded Controller und Software basieren. Das CC Electronics der Hochschule Luzern – Technik & Architektur setzt sich im Rahmen des Wissens- und Technologie-Transfers (WTT) aktiv dafür ein, Schweizer Firmen in diesem zukunftsträchtigen Bereich zu unterstützen.