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Licht 6 | 2020

Leuchtende Zukunft für menschliches Wohlbefinden

Forschung fördert den Einsatz von HCL und verbessert das LED-Spektrum

Unternehmen auf der ganzen Welt sind sich zunehmend der Notwendigkeit bewusst, Arbeitsplätze zu schaffen, die das Wohlbefinden, den Komfort und die Produktivität der Mitarbeiter fördern. Deswegen liegt der Fokus immer mehr auf HCL. Wegweisende Forschung auf dem Gebiet der LED-Spektrumsoptimierung trägt dazu bei, vorteilhafte Beleuchtungsergebnisse zu erzielen.

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Die Tatsache, dass kürzlich von dem Forschungs- und Beratungsunternehmen Grand View Research inc. eine LED-Beleuchtungsmarkt-Prognose bis 2025 von 105,66 Milliarden Dollar – umgerechnet rund 90 Milliarden Euro – veröffentlicht wurde, beweist: Die Vorteile der längeren Lebensdauer, geringen Wärmeemissionen und des niedrigen Energieverbrauchs dieser Technologie sind inzwischen allgemein erkannt worden. Für diejenigen, die das Potenzial der LED so weit wie möglich ausschöpfen wollen, hat sich der Schwerpunkt jedoch auf die Rolle der Beleuchtung bei der Verbesserung des persönlichen Wohlbefindens, des Komforts und der Produktivität verlagert. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Schaffung künstlicher Lichtlösungen gelegt, die die Wirkung des natürlichen Lichts so gut wie möglich widerspiegeln.

Den zirkadianen Rhythmus verstehen

Die Erde hat einen regelmäßigen Rhythmus: Alle 24 Stunden dreht sie sich um ihre Achse, und wir erleben Tageslicht und Dunkelheit. Wie die meisten anderen Organismen haben wir eine »innere Uhr«, die sich an Tag und Nacht anpasst. Dieser Zyklus wird »zirkadian« genannt, etymologisch abgeleitet von den lateinischen Wörtern circa, was so viel wie »um« bedeutet, und diem, was Tag bedeutet. Unsere biologische Hauptuhr, die sich im Hypothalamus des Gehirns befindet, besteht aus 20.000 Nervenzellen, die den suprachiasmatischen Kern bilden, der den Input von unseren Augen empfängt und Signale über die Tageszeit aussendet, so dass unser Körper entsprechend reagiert [2].

So induziert das frühe Morgenlicht beispielsweise die Ausschüttung von Cortisol, das zusammen mit der Unterdrückung von Melatonin den Menschen wacher macht [3]. Bei den meisten Erwachsenen ereignen sich die größten Energieabfälle mitten in der Nacht, zwischen 2:00 und 4:00 Uhr morgens, und kurz nach der Mittagszeit. Wenn es nachts dunkel ist, senden die Augen ein Signal an den Hypothalamus, dass es Zeit ist, sich müde zu fühlen, und das Gehirn wiederum sendet ein Signal zur Ausschüttung von Melatonin, das für ein entsprechendes Müdigkeitsgefühl sorgt. Aus diesem Grund geht der zirkadiane Rhythmus mit dem Zyklus von Tag und Tag einher.

Von Algen und winzigen Mikroben bis hin zu Vögeln und Menschen – alle Lebewesen folgen dem zirkadianen Rhythmus und zeigen entsprechend tageszeitspezifische Veränderungen im körperlichen und geistigen Verhalten [4]. Der zirkadiane Rhythmus wirkt sich massiv auf unseren Körper aus und kann die Hormonausschüttung, Schlaf- und Wachzyklen, die Essgewohnheiten, die Urinproduktion, die Verdauung, und sogar die Körpertemperatur beeinflussen. Ein unregelmäßiger zirkadianer Rhythmus wurde mit verschiedenen Gesundheitszuständen wie Schlafstörungen, Adipositas, Diabetes, Depressionen, bipolaren Störungen und saisonalen affektiven Störungen in Verbindung gebracht.

Obwohl das Konzept des zirkadianen Rhythmus nichts Neues ist, hat die Frage, wie Licht und Dunkelheit Aspekte unseres Verhaltens beeinflussen, in den vergangenen Jahren viele Wissenschaftler beschäftigt. 2017 wurde sogar sowohl der Nobelpreis für Physiologie als auch für Medizin für die Entdeckung der molekularen Mechanismen, die den zirkadianen Rhythmus kontrollieren, an Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young verliehen [5]. Auch in verschiedenen Bereichen der Konsumgüterindustrie ist die Entwicklung im Gange: Einige Smartphones sind in der Lage, die Displayfarbe nachts an das wärmere Ende des Lichtspektrums zu verschieben.

Der Aufstieg des Human Centric Lighting

Der Homo sapiens lebt seit mindestens 200.000 Jahren auf dem Planeten, und den Großteil dieser Zeit haben wir als Jäger und Sammler im Freien verbracht: Unsere Vorfahren lebten in provisorischen Behausungen und reisten dorthin, wo sich zufällig die beste Nahrung und die besten Ressourcen befanden. Heute hingegen verbringen die Menschen in Europa laut des Building Research Establishments (BRE) rund 90 Prozent ihrer Zeit in Innenräumen [6] – wobei die mangelnde Exposition zu natürlichem Licht negative Auswirkungen auf Gesundheit und Wohlbefinden hat. Dem versucht die Lichtindustrie mit dem Konzept des Human Centric Lighting (HCL) entgegen zu wirken.

Die emotionalen und biologischen Auswirkungen einer Beleuchtung, welche die Veränderungen der Farbtemperatur des natürlichen Tageslichts nachahmt, sind erwiesenermaßen positiv und haben zu einer Konzentration auf HCL-Lösungen geführt. LightingEurope definiert HCL als Beleuchtung, die »die Gesundheit, das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit des Menschen unterstützt, indem sie die visuellen, biologischen und emotionalen Vorteile des Lichts kombiniert« [7]. Sie befasst sich sowohl mit den visuellen als auch nicht-visuellen Wirkungen von Licht. Die moderne LED-Technologie ist die treibende Kraft bei der Entwicklung von Lösungen, die die zirkadianen Bedürfnisse des Menschen unterstützen.

Die Kombination aus Lichtsteuerungstechnologie und modernen LED ermöglicht es, die Lichtintensität und den Farbton automatisch in Abstimmung mit dem verfügbaren natürlichen Licht zu ändern, wobei die Tageszeit, der Sonnenstand und sogar die Jahreszeit berücksichtigt werden. Einfach ausgedrückt, schaffen steuerbare, anpassungsfähige Beleuchtungssysteme eine komfortablere Umgebung für die Menschen und können dazu verwendet werden, sie tagsüber durch die Verwendung blauer Wellenlängen zu stimulieren und sie nachts mit gelben und roten Wellenlängen zu beruhigen.

Vielfältige Anwendungen von HCL

Durch die Integration eines Beleuchtungssystems in das Internet of Things (IoT) kann die Beleuchtung in Echtzeit angepasst werden, wobei die Nutzer ihre lokale Lichtintensität und Farbtemperatur über ihre PCs und Smartphones steuern können. Durch die Steuerung von Lichtintensität und -farbe im Arbeitsumfeld kann ein Beleuchtungsdesign eine zusätzliche Verbesserung der Zufriedenheit und Produktivität von Mitarbeitern bewirken. Laut LightingEurope kann HCL Leistung und Wohlbefinden deutlich verbessern. Tests in einer Arbeitsumgebung zeigen, dass die Produktivität um 4,5 Prozent gesteigert und Fehler um zwei Prozent reduziert werden konnten, während gleichzeitig die Krankheitstage in der Belegschaft sanken [8].

HCL ist nicht nur in Geschäftsräumen nützlich, sondern besonders wichtig für Umgebungen wie Krankenhäuser und Schulen. In Kliniken kann es den Genesungsprozess der Patienten unterstützen, indem es den Schlaf-Wachzyklus, die Hormonausschüttung, die Essgewohnheiten und die Verdauung positiv beeinflusst. In der Schule wiederum kann HCL eingesetzt werden, um für mehr Entspannung oder für mehr Aufmerksamkeit zu sorgen [9].

Der Einfluss des Spektrums auf menschliche Aktivitäten

Obwohl es heute im Mittelpunkt der Diskussionen unter Beleuchtungsfachleuten steht, ist unser Verständnis der Auswirkungen von Licht auf den menschlichen Körper noch recht begrenzt. Es besteht weiterer Forschungsbedarf, wenn es um die Auswirkungen der verschiedenen Beleuchtungsarten, die Komplexität der Nachahmung von natürlichem Licht und die Notwendigkeit einer sicheren und effektiven Anwendung von künstlichem Licht geht. Hierfür müssen Forscher und Hersteller komplexe Metriken wie den zirkadianen Wirkungsfaktor, das zirkadiane Licht, den Melatoninunterdrückungsindex und die Melanopische Empfindlichkeitsfunktion berücksichtigen [11].

Wir wissen, dass der Mensch nicht nur die Helligkeit und Farbe des Lichts erkennt, sondern dass der zirkadiane Rhythmus durch verschiedene Wellenlängen beeinflusst werden kann. Obwohl LEDs mit einem Farbwiedergabeindex (CRI) von 80 weit verbreitet wurden, müssen sich die Hersteller auf den Mehrwert konzentrieren, um Lösungen für das weitere Marktwachstum zu finden. LED mit höherem CRI fungieren dabei als technisches Unterscheidungsmerkmal. Einige LED-Hersteller sind dabei, die Leistungslücke zwischen dem CRI ≥80 und höheren CRI-Werten zu schließen, wobei einige die Leistungslücke auf nur 20 lm/W zwischen einer LED mit CRI ≥80 und einer LED mit CRI ≥90 reduzieren können. Des Weiteren hat sich herausgestellt, dass die Rolle von Cyan bei der Verbesserung der Spektralverteilung eine Schlüsselrolle spielt.

Abb.: Die spektrale Empfindlichkeit der Photorezeptoren der menschlichen Netzhaut Nichia

Abb.: Spektralvergleich zwischen herkömmlichen CRI 80+ LEDs und den neuen CRI 80+ SAE-Leuchtstoff-LEDs Nichia

Auch die Forschung hat sich der Beziehung zwischen der spektralen Bandbreite und der Reaktion des menschlichen Auges gewidmet. Nach Aggarwala et al [12] ist die Akkommodationsreaktion des Auges bei einem breiten Spektrum schneller. Die Reaktion der Augenakkommodation für zwei Probanden in Bezug auf die Bandbreite wurde ebenfalls untersucht. Die Erhöhung der Bandbreite wirkt sich auch positiv auf die Anpassungsfähigkeit des menschlichen Auges aus. Zusätzlich nimmt die Phasenverzögerung ab, die eine Zeitverzögerung der Reaktion ist. Diese Ergebnisse belegen, dass ein breiteres Spektrum besser für die Akkommodationsreaktion des menschlichen Auges ist.

Darüber hinaus stellten Kubo et al. [13] fest, dass das menschliche Auge durch eine breitbandige Lichtquelle weniger ermüdet. Auch untersuchten sie die Beziehung zwischen der spektralen Bandbreite und der Abnahme der Anpassungsfähigkeit des menschlichen Auges nach visuellen Aufgaben. Durch die Betrachtung der Abnahmerate als Ermüdungsgrad wurde festgestellt, dass ein breiteres Spektrum optimal für die Reduktion der visuellen Ermüdung ist.

Die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) entdeckte, dass die Gesamttransmission des Auges mit zunehmendem Alter schlechter wird. Die Transmission der Augenlinse zwischen 400 nm und 500 nm nimmt ab und geht in eine gelbliche Farbe über [14]. Folglich bietet die Betonung der Cyan-Komponente in der spektralen Bandbreite ein klareres Sehen für Erwachsene mittleren und höheren Alters.

Zusätzlich zur Transmission konzentrierten sich Lucas et al. auf die Absorptionseigenschaften des menschlichen Auges und stellten fest, dass ein Bezug auf das Absorptionsspektrum der menschlichen Photorezeptoren der Netzhaut, der intrinsisch lichtempfindlichen retinalen Ganglienzellen (ipRGC), möglich ist. Bei der Analyse der Absorption im sichtbaren Lichtspektrum liegt die Spitzenwellenlänge der spektralen Empfindlichkeit von ipRGC bei etwa 480 nm. Da ipRGC als ein spezifischer Photorezeptor für die Steuerung des zirkadianen Rhythmus betrachtet wird, ist die Schlussfolgerung, dass die Cyan-Komponente des Spektrums für eine höhere Empfindlichkeit erhöht werden muss [15].

Erweiterung des Spektrums unterstützt menschliche Aktivitäten

Das Emissionsspektrum einer typischen CRI ≥80 LED weist keine starken Cyan- und Rotanteile auf, um eine Abnahme der Effizienz zu vermeiden. Das bedeutet für das menschliche Auge eine geringe spektrale Empfindlichkeit. Umgekehrt enthält eine typische CRI ≥90 LED mehr grüne und rote Komponenten, was durch die Verwendung von Phosphor auf Silikatbasis und optimiertem SCASN-Phosphor erreicht wird. Aber selbst in dieser Situation erzeugt die spektrale Modifikation immer noch einen Effizienzverlust von etwa 13 Prozent bei einer CRI ≥80 LED [16].

Um den Spektralbereich von Cyan bis Grün zu erweitern, verwendete Nichia zusätzlich Cyanphosphor – Strontiumaluminat wurde mit Europiumphosphor aktiviert (SAE: Sr4Al14O25:Eu2+) [11]. Der SAE-Leuchtstoff hat einen Emissionspeak bei etwa 495 nm und verbesserte den Cyanbereich und erhöhte die spektrale Bandbreite. Die relative Wirksamkeit der CRI ≥80 + SAE-Phosphor-LED beträgt 96 Prozent einer typischen CRI ≥80 LED. Zusätzlich ist die spektrale Bandbreite der CRI ≥80 + SAE-Phosphor-LED breiter als die einer typischen CRI ≥80 LED. Die Einzelheiten der gemeinsamen Forschung, die mit Hilfe eines akademischen Kooperationspartners in Japan durchgeführt wurde, werden in naher Zukunft bekannt gegeben [i, ii].

Die Innovation auf die Probe stellen

Nach umfangreichen Forschungen und Tests wurde ein optimiertes Spektrum entwickelt, um menschliche Aktivitäten in Harmonie mit dem menschlichen zirkadianen Rhythmus zu stimulieren. Die hohe Farbwiedergabe des Spektrums führt nachweislich zu Vorteilen wie der Verringerung von Augenermüdung und Schläfrigkeit, fördert aber auch eine bessere Arbeitsleistung und Stimulation, insbesondere bei relativ anstrengenden visuellen Aufgaben.

Wie bereits erörtert, kann die Beleuchtung das Aktivitätsniveau während des Tages beeinflussen, einschließlich des morgendlichen Aufwachens, der Aktivität während des Tages und der Förderung des nächtlichen Schlafs. Der zirkadiane Rhythmus kann reguliert werden, wenn bestimmte Wellenlängen, insbesondere im Cyan-Bereich, angesprochen werden. So bietet Nichias hochentwickelte Vitasolis-Lösung eine natürlich weiße Farbe bei der ein bedeutender Teil ihres Spektrums cyanfarbene Wellenlängen enthält. Die einzigartige spektrale Verteilung leuchtet auch Objekte effektiv aus und behält dabei eine hohe Lichtausbeute bei.

Durch die Kombination moderner Technologien in abstimmbaren Leuchten und IoT-Systemen (einschließlich des Einsatzes vernetzter Tageslichtsensoren) könnte eine »ideal eingesetzte HCL-Beleuchtung« in Büros, Schulen, Krankenhäusern und anderen Orten [11] umgesetzt werden, wo das am besten geeignete Licht Wach-Schlaf-Muster und andere komplexe Verhaltensweisen positiv unterstützen kann. Auch wenn weitere Forschung darüber erforderlich ist, wie sich Menschen gegenüber spektralen Veränderungen des Lichts verhalten, so ist es eine spannende Annahme, dass individuelle Verschiebungen des Spektrums zu veränderten Reaktionen der unterschiedlichen Augenzellen führen und so die innere Uhr einer Person positiv beeinflussen zu können.

HCL: Die nächste Generation

Die LED ist nach wie vor einer der aufregendsten Bereiche der modernen Technologie und wurde bereits als ein wichtiger Faktor für die Schaffung von Gebäuden mit intelligenten Beleuchtungskonzepten und Nutzern, die von diesen neuen Beleuchtungslösungen profitieren können. Eine neu entwickelte Phosphorzusammensetzung von Nichia bietet ein optimiertes Spektrum für menschliche zirkadiane Aktivitäten, indem ein verbesserter SAE-Phosphor mit Cyan-Emission implementiert wird. Der Effizienzverlust gegenüber einer typischen CRI ≥80 LED ist dabei vernachlässigbar gering. Die bisherigen Testergebnisse deuten darauf hin, dass die LED mit optimiertem Spektrum eine bessere Wahl für das menschliche Auge in Bezug auf physiologische und psychologische Ermüdung sowie auf die Arbeitseffizienz ist. Das macht diese spektrumoptimierte LED zu einer geeigneten Lösung für verschiedene HCL-Anwendungen, in denen Effizienz, Produktivität und Wohlbefinden von entscheidender Bedeutung sind.

Anmerkungen:

[i] Folgeartikel in der LED professional Review (LpR)

[ii] Vortrag über »LED-Spektrum-Optimierung zur Verbesserung der menschlichen Leistungen und psychophysiologischen Reaktionen« auf der LpS 2019 von Nichias Makoto Ogawara am Opernhaus Bregenz, Österreich

Quellen:

[1] Grand View Research, »LED Lighting Market Size, Share & Trends Analysis Report by End Use, by Design, by Application and Segment Forecasts, 2019-2025«

[2] National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) https://li.rpv.media/1eq

[3] BakkerElkhuizen, »The Effect of Light on Performance«

[4] Frontiers, »Circadian Rhythm: From Microbes To Hosts«

[5] The 2017 Nobel Prize in Physiology or Medicine

[6] BRE Group, »Human-Centric Lighting: The Future of the Workplace«

[7] LightingEurope, »Human Centric Lighting«, https://li.rpv.media/1er

[8] LightingEurope & ZVEI, »Quantified Benefits of HCL«

[9] NHS Greater Glasgow and Clyde, »Staying Alert in the Classroom«

[10] MarketsandMarkets, »HCL Market by Offering, Application and Geography – Global Forecast to 2024«

[11] Ogawara et al, »Improvement of Human Performances and Psychophysiological Responses«, LED Lighting Technologies – Smart Technologies for Lighting Innovations. Luger Research e.U., 2019

[12] Aggarwala et al, »Spectral Bandwidth and Ocular Accommodation«, Journal of the Optical Society of America

[13] Kubo et al., »Effect of Spectral Radiant Distribution of Lighting on Visual Fatigue«, Journal of the Illuminating Engineering Institute of Japan

[14] The International Commission on Illumination, »CIE 203:2012 A Computerized Approach to Transmission and Absorption Characteristics of the Human Eye«

[15] Lucas et al., »Measuring and Using Light in the Melanopsin Age«, Trends in Neurosciences

[16] Wakui, »Can Human Performance be Improved by Light?«, Phosphor Global Summit & Quantum Dots Forum

Weitere Informationen:

Text: Makoto Ogawara, Assistant Manager bei Nichia; Giovanni Vecchio, Head of Sales and Marketing bei Nichia; Prof. Masayoshi Kamijo, Shinshu University

Grafiken: Nichia

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 6 | 2020

Erschienen am 25. August 2020