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Hocheffiziente Lichtquelle mit Schwefel


Im Jahre 1854 brachte der sechs Jahre zuvor nach Amerika ausgewanderte deutsche Uhrmacher Johann Heinrich Göbel (1818 bis 1893) in einer leergepumpten Kölnisch-Wasser-Flasche einen Kohlefaden zum Leuchten und erfand damit die Glühbirne. Die neuartige künstliche Lichtquelle wurde seither zwar mehrfach weiterentwickelt – unter anderem durch Thomas Alva Edison (1847 bis 1931), dem oft fälschlich ihre Erfindung zugeschrieben wird; doch vom Prinzip her hat sie sich bis heute nicht verändert. Neben diesem Beleuchtungsklassiker konnte sich nur die Leuchtstoffröhre durchsetzen, die 1939 auf der Weltausstellung in New York der Öffentlichkeit erstmals präsentiert wurde.
Vor diesem Hintergrund war es durchaus etwas Besonderes, als Mitarbeiter des US-Unternehmens Fusion Systems 1990 zufällig auf ein völlig neues Prinzip zur Erzeugung von weißem Licht stießen. James T. Dolan, Michael G. Ury und Charles H. Wood wollten die Effizienz der seit zwei Jahrzehnten als Ultraviolett-Quellen erprobten Gasentladungslampen mit Mikrowellen-Anregung steigern, indem sie Schwefeldampf im Gemisch mit Argon als Füllgas verwendeten. Zu ihrer großen Überraschung strahlte der angeregte Schwefel jedoch statt im Ultraviolett- fast ausschließlich im sichtbaren Bereich.
Die neu entdeckte Lichtquelle schien so vielversprechend, daß zu ihrer Weiterentwicklung und späteren Vermarktung 1993 das Unternehmen Fusion Lighting mit Sitz in Rockville (Maryland) gegründet wurde. Mit Unterstützung des US-Energie-Ministeriums und des Lawrence-Berkeley-Nationallaboratoriums konnte das Unternehmen schon ein Jahr später eine Prototypversion vorstellen. An der Weiterentwicklung war vor allem der Ingenieur Brian P. Turner beteiligt.
Kernstück des Prototyps ist ein etwa golfballgroßer Quarzglas-Kolben, der einige Milligramm Schwefel und das Edelgas Argon enthält (Bild 1). Als Mikrowellenquelle dient ein 2,4-Gigahertz-Magnetron mit einer Ausgangsleistung von 3,5 Kilowatt. Da sich der Kolben im Betrieb stark erhitzt, muß er rotiert und mit Druckluft gekühlt werden (Bild 2).

Das Grundprinzip

Die eingestrahlte Mikrowellenenergie bringt den Schwefel zum Verdampfen und induziert im Inneren des Kolbens ein Plasma. Bei Temperaturen von weit über 1000 Grad Celsius und einem Druck von etwa zehn Bar besteht das Schwefelgas überwiegend aus ionisierten zweiatomigen Molekülen. Deren verbliebene Elektronen werden durch die Mikrowellen teilweise in höhere Zustände angeregt, aus denen sie zurückfallen und dabei elektromagnetische Strahlung aussenden. Die spektrale Verteilung dieser Emission unterscheidet sich allerdings stark von dem seit langem bekannten Emissionsspektrum des S2-Moleküls, dessen Maximum bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck bei etwa 330 Nanometer, also im UV-A-Bereich, liegt.
Der Grund dafür sind die extremen Bedingungen im Kolben. Wegen der hohen Temperatur befinden sich die weitaus meisten Schwefelmoleküle in hochangeregten Schwingungszuständen und wirken dadurch als UV-Filter: Sie absorbieren den ultravioletten Anteil der emittierten Strahlung, so daß nur sichtbares Licht nach außen gelangt.
Für eine weitere wichtige Besonderheit sorgt der hohe Druck: Während das normale Emissionsspektrum zweiatomiger Schwefelmoleküle eine dichte Folge von Zacken (Linien) aufweist, die von den verschiedenen Elektronenübergängen im Molekül herrühren, wirkt die Spektralkurve der Schwefellampe fast glatt. Beim Zehnfachen des normalen Luftdrucks nimmt die Zahl der Stöße zwischen den Gasmolekülen nämlich stark zu – und damit auch die Wahrscheinlichkeit, daß sich ein solcher Stoß während der Emission eines Lichtquants ereignet. In diesem Falle wird dessen Wellenlänge geringfügig verändert, und die dadurch verbreiterten Spektrallinien zerfließen zu einem Kontinuum.

Bestechende Kenngrößen

Diese günstigen Effekte verhelfen der Schwefellampe zu hervorragenden Farbeigenschaften. Mit einer Farbtemperatur von 6000 Kelvin und den Koordinaten x = 0,32 und y = 0,4 auf der CIE-Normfarbtafel (x = y = 0,33 entspräche idealem Weiß) ist das abgestrahlte Licht dem der Sonne sehr ähnlich. Da es keine verschleißträchtigen Glühdrähte oder Elektroden gibt und in der Schwefel-Argon-Füllung keinerlei chemische Reaktionen stattfinden, ändern sich die Farbeigenschaften, wie sich in Tests bei mehr als 8000stündiger Betriebsdauer erwies, so gut wie nicht. Auch die Haltbarkeit ist extrem groß; Fusion Lighting gibt sie mit 50000 Stunden an. Allerdings muß bereits nach durchschnittlich 15000 Stunden der Mikrowellen-Generator ausgetauscht werden.
Die Schwefellampe besticht zudem durch ihren Wirkungsgrad: Bei 3,5 Kilowatt eingestrahlter Mikrowellenleistung erzeugt das Prototypmodell einen Lichtstrom von 450000 Lumen – etwa das 450fache einer herkömmlichen 100-Watt-Glühbirne. Das entspricht einer Lichtausbeute von 129 Lumen pro Watt. Dies ist zwar nur gut die Hälfte des theoretischen Maximalwerts von 220 Lumen pro Watt, liegt aber weit über der Effizienz aller bisher bekannten Lampensysteme (Glühbirne: 10, Leuchtstoffröhre: 60 bis 90, Natrium-Hochdrucklampe: bis zu 100 Lumen pro Watt). Allerdings wird ein Teil dieses Wirkungsgrads durch Energieverluste bei der Mikrowellenerzeugung aufgezehrt. Das Komplettsystem aus Schwefellampe und Magnetron benötigt 5,9 Kilowatt Leistung aus dem Stromnetz und erreicht damit nur noch eine Gesamt-Lichtausbeute von 76 Lumen pro Watt.

Prototypen

Damit sich mit der extrem hellen Lampe auch eine große Fläche gleichmäßig beleuchten läßt, mußte zusätzlich ein neues Lichtverteilungssystem entwickelt werden. Es besteht aus einem durchsichtigen Kunststoffrohr von 25 Zentimeter Durchmesser, das innen mit einer speziellen prismatischen Folie beschichtet ist. Sie leitet das am Ende eingespeiste Licht durch Totalreflexion weiter; Öffnungen in regelmäßigen Abständen lassen unterwegs jeweils einen Teil der Strahlung austreten. Am anderen Ende des Rohres befindet sich entweder ein Spiegel oder, bei höherem Lichtbedarf, eine zweite Schwefellampe.
Die beiden ersten Prototypanlagen wurden im Oktober 1994 installiert. Im Foyer des US-Energieministeriums in Washington ersetzte ein 73 Meter langes Lichtrohr mit je einer Schwefellampe an den Enden 240 Quecksilber-Hochdrucklampen (Bild 3). Bei doppelter Helligkeit benötigt das neue Beleuchtungssystem nur 28 Prozent der Energie des alten. Trotz seines beachtlichen Preises von 100000 US-Dollar wird es sich durch die eingesparten Strom- und Wartungskosten in zehn Jahren amortisiert haben.
Die zweite Anlage befindet sich im Nationalmuseum für Luft- und Raumfahrt in Washington. Dort haben drei etwa 30 Meter lange Lichtrohre mit je einer Schwefellampe ein schwierig zu wartendes System aus 94 Quecksilber-Hochdrucklampen ersetzt. Eine dritte Lichtrohranlage wurde letztes Jahr im Postverteilungszentrum von Sundsvall (Schweden) in Betrieb genommen.
Seit 1995 produziert und vertreibt Fusion Lighting unter dem Namen "Solar 1000" auch eine erste marktreife Version. Sie ist mit einem Lichtstrom von 135000 Lumen etwas niedriger dimensioniert als der Prototyp. Das verwendete Magnetron benötigt nur noch 1425 Watt und liefert 825 Watt Mikrowellenleistung. Damit hat sich gegenüber dem Prototypmodell die Lichtausbeute bezogen auf die eingestrahlte Mikrowellenenergie zwar um ein Viertel verschlechtert (163 Lumen pro Watt), für das Gesamtsystem aber ist sie auf 95 Lumen pro Watt gestiegen. Die niedrigere Leistungsaufnahme machte außerdem die Druckluftkühlung des Quarzkolbens entbehrlich.
Da das Licht der "Solar 1000" nur etwa 15 Prozent Ultraviolett- und ein Prozent Infrarotstrahlung enthält, eignet es sich besonders zur Beleuchtung empfindlicher Objekte, beispielsweise in Museen. Die Ähnlichkeit zum Sonnenlicht macht es zudem für die Pflanzenzucht interessant.
Die Kombination mit dem Lichtrohr bringt weitere Vorteile – schafft sie doch einen zusätzlichen Abstand zwischen Lichtquelle und beleuchtetem Objekt, so daß sich das System auch für feuer- und explosionsgefährdete Bereiche eignet. Nachteilig sind allerdings die beträchtlichen Herstellungskosten und das hohe Gewicht der "Solar 1000" – sie wiegt immerhin 6 und die Stromversorgung weitere 22 Kilogramm.

Konkurrierende Systeme

Wesentlich preiswertere, kompaktere und damit leichtere Beleuchtungssysteme, die sich in Wirkungsgrad und Nutzungsdauer mit der Schwefellampe messen können, wurden kürzlich vom Lampenhersteller Osram und dem Elektronikkonzern Philips vorgestellt. Die "QL 165W" von Philips liefert bei einer Leistungsaufnahme von 165 Watt einen Lichtstrom von 12000 Lumen (73 Lumen pro Watt Lichtausbeute). Einen rund zehn Prozent höheren Wirkungsgrad erreicht mit 150 Watt Leistung und ebenfalls 12000 Lumen Lichtstrom die "En-dura" von Osram.
Beide Systeme basieren auf dem Prinzip der Leuchtstoffröhre. Allerdings wird die Gasentladung nicht über Elektroden im Inneren, sondern über ein hochfrequentes Magnetfeld ausgelöst, das Magnetspulen an der Außenwand von Glasröhre oder -kolben erzeugen. Da aus diesem Grunde ebenfalls weder Elektroden noch Glühdrähte benötigt werden, sind die "Endura" und die "QL 165W" wie die Schwefellampe nahezu unbegrenzt haltbar; die Hersteller geben die Gebrauchsdauer mit 60000 Stunden an. Beide Systeme haben jedoch alle gravierenden Nachteile von herkömmlichen Leuchtstoffröhren: einen hohen UV-Anteil, ein aus einzelnen Linien bestehendes, unnatürliches Lichtspektrum und ei-ne umweltschädliche Quecksilberdampf-Füllung.
Ironischerweise schränkt – außer dem hohen Preis – gerade die extreme Helligkeit der Schwefellampe ihre Anwendungsmöglichkeiten ein. Doch ist es im Lawrence-Berkeley-Nationallaboratorium bereits gelungen, statt Mikrowellen Strahlung im langwelligeren Radiofrequenzbereich zur Anregung zu verwenden und damit bei einer Leistungsaufnahme von 100 Watt einen Lichtstrom von 15000 Lumen zu erzeugen. Fusion Lighting hält preisgünstigere Schwefellampen mit 50 bis 200 Watt Leistung und einem Lichtstrom unter 10000 Lumen bis zum Ende des Jahrzehnts für realisierbar. Dann könnte die neue Lichtquelle mit der Leuchtstoffröhre konkurrieren und Einzug in den Wohnbereich halten.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 1998, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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