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Künstliches Licht

Ist das gesund?

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Der mensch­li­che Orga­nis­mus wurde über viele Jahr­tau­sende für das Sonnen­licht opti­miert. Vor unge­fähr sieben Millio­nen Jahren begann in Afrika die Evolu­tion des Menschen; mehr als 150.000 Jahre hat sich unsere Form des Homo Sapi­ens über­wie­gend drau­ßen aufge­hal­ten und gear­bei­tet. Heut­zu­tage scheint jedoch künst­li­ches Licht die zentrale Rolle einzu­neh­men: Seit etwa 100 Jahren leben wir über­wie­gend in geschlos­se­nen Räumen mit über­wie­gend künst­li­chem Licht – aber ist das auch gesund?

Oliver Stefani

Tags­über 100.000 Lux Beleuch­tungs­stärke, nachts 0,03 – das waren die Bedin­gun­gen für den Homo Sapi­ens über Jahr­tau­sende hinweg. Büro­tä­tig­kei­ten heut­zu­tage finden jedoch meist bei 500 Lux statt und abends halten wir uns zu Hause bei unge­fähr 50 bis 300 Lux auf. Die Licht­kurve fällt nur noch sehr geglät­tet aus und kann daher Schlaf­stö­run­gen hervor­ru­fen. Es ist aber nicht nur die Licht­stärke, die natür­li­ches Licht von Kunst­licht unter­schei­det, sondern auch Dyna­mi­ken wie bei vorbei­zie­hen­den Wolken, Licht­farbe und Spek­trum, die meist ganz anders sind.
Licht ist nicht gleich Licht
Ener­gie­spar­lam­pen und Leucht­stoff­röh­ren haben Prinzip-bedingt ein Lini­en­spek­trum oder genauer gesagt ein Banden­spek­trum mit Spit­zen bei Blau, Grün und Gelb-Orange. Mit diesem Trick lässt sich eine recht gute Ener­gie­ef­fi­zi­enz erzeu­gen. Das Tages­licht und auch das Licht der Glüh­birne unter­schei­den sich davon. Beide Licht­quel­len haben ein konti­nu­ier­li­ches Spek­trum. Auf einer weißen Wand lässt sich der Unter­schied einer Ener­gie­spar­lampe und einer Glüh­birne kaum erken­nen. Unsere Umwelt besteht aber über­wie­gend aus Farben. Wenn nun bei der Ener­gie­spar­lampe Zwischen­töne fehlen, können bestimmte Farben aus unse­rer Umge­bung auch nicht so gut darge­stellt werden. Bestimmte Objekte wirken dadurch unna­tür­lich. Farb­un­ter­schiede können sogar ganz verschwin­den. Tages­licht und Glüh­birne aber decken die gesamte Farb­pa­lette ab.
Eine wünschens­werte Licht­um­ge­bung sollte sich gene­rell am natür­li­chen Licht orien­tie­ren und deswe­gen je nach Tages­zeit­punkt unter­schied­lich sein. Von der Evolu­tion sind wir abends auf das wärmende Feuer gepolt, die Glüh­birne mit ihrem sehr hohen Infra­rot­an­teil kommt dieser Situa­tion sehr nahe. Tags­über ist das aber weni­ger erwünscht. Wir wissen seit zwölf Jahren, dass es in unse­rem Auge Rezep­to­ren gibt, die nicht dem Sehen dienen, sondern unse­ren Tag-Nacht-Rhythmus steu­ern. Beson­ders sensi­tiv sind diese Rezep­to­ren bei einer Wellen­länge um 464nm (blau). Blau hält uns also wach, weil es unse­ren Sinnen Tages­be­din­gun­gen signa­li­siert. Ein Licht­spek­trum mit hohem Blau­an­teil ist am Tage also erwünscht. Im Gewerbe wird vermut­lich darum eine Farb­tem­pe­ra­tur von 4000K bevor­zugt.
Viele der in Deutsch­land gehan­del­ten Ener­gie­spar­lam­pen liegen bei einer Farb­tem­pe­ra­tur von 2700K, also ziem­lich genau im Bereich der Glüh­fa­den­tem­pe­ra­tur der Glüh­birne. Diese warme Licht­farbe kommt daher haupt­säch­lich im Wohn­be­reich zum Einsatz. Leider ist gerade bei dieser Farb­tem­pe­ra­tur bei Ener­gie­spar­lam­pen die Wieder­gabe der Farben aus unse­rer Umge­bung beson­ders schlecht. Farb­nu­an­cen sind nicht mehr diffe­ren­zier­bar. Bei der Lebens­mit­tel­be­leuch­tung weiß man das schon lange und setzt daher bei Wurst, Käse und auch bei Sushi keine einfa­chen Leucht­stoff­röh­ren ein. Durch ein geziel­tes Spek­trum (von weißem Licht) könnte man aber zum Beispiel auch sicher­heits­re­le­vante Gegen­stände in der Produk­tion hervor­he­ben.
Kalt gleich warm
Nicht nur der Tages­zeit­punkt verur­sacht Vorlie­ben bei der Licht­farbe; diese schei­nen auch abhän­gig von der Jahres­zeit und dem geogra­fi­schen Brei­ten­grad. Die Verbrei­tung der Farb­tem­pe­ra­tur ist in Europa ganz unter­schied­lich: In nörd­li­chen Ländern werden warme (3000K), in Mittel­eu­ropa neutrale (4000K) und in südli­chen Ländern kalte (5000K) Farb­tem­pe­ra­tu­ren bevor­zugt. Bei einer inter­nen Beob­ach­tung von acht Perso­nen über zwei Jahre hat das Fraunhofer-Institut für Arbeits­wirt­schaft (IAO) fest­ge­stellt, dass im Sommer kaltes und im Winter warmes Licht verwen­det wird.
Da wir auch immer mehr Zeit vor immer größer werden­den Bild­schir­men verbrin­gen und damit auch der Anteil des Lichts, das von Bild­schir­men zu unse­ren Augen gelangt, immer größer wird, unter­suchte das Fraun­ho­fer IAO die Wirkung unter­schied­lich beleuch­te­ter Displays auf das mensch­li­che Befin­den. Hier­für setz­ten die Exper­ten Proban­den zwei unter­schied­lich beleuch­te­ten Bild­schir­men aus: LED- beleuch­tet: Bestrah­lungs­stärke 0,241 W/(sr x m2) im Wellen­län­gen­be­reich von 454 bis 474 nm und herkömm­lich beleuch­tet: Bestrah­lungs­stärke 0,099 W/(sr x m2) im Wellen­län­gen­be­reich von 454 bis 474 nm. Die beiden Bild­schirme waren abge­se­hen vom Blau­an­teil iden­tisch: 24 Zoll, 1900x1200 Pixel und 250 cd/m2 Leucht­dichte.
In einem Raum ohne äußere Einflüsse wurden Tempe­ra­tur, Luft­feuch­tig­keit und Umge­bungs­licht konstant gehal­ten. Unter diesen Bedin­gun­gen wurden zwölf männ­li­che Proban­den zwei­mal für jeweils vier Stun­den am Abend unter­sucht. Während der Unter­su­chung wurden Messun­gen verschie­de­ne­rer physio­lo­gi­scher Para­me­ter durch­ge­führt (EOG, Mela­to­nin im Spei­chel, etc.). Die Häufig­keit der „Slow Eye Move­ments“ in der Augen­be­we­gung (gemes­sen durch das EOG) ist ein Mess­wert, um die Müdig­keit objek­tiv zu beur­tei­len. Um realis­ti­sche Arbeits­be­din­gun­gen zu simu­lie­ren, muss­ten die Proban­den immer wieder Aufmerk­sam­keits­tests und Reak­ti­ons­tests bewäl­ti­gen. So konnte auch fest­ge­stellt werden, ob sich die Leis­tungs­fä­hig­keit zwischen den beiden Bedin­gun­gen unter­schei­det.
Die Ergeb­nisse zeigen, dass die Gedächt­nis­leis­tung beein­flusst wurde: Bei einer Lern­auf­gabe konn­ten sich die Proban­den mit dem LED-Bildschirm an mehr Wort­paare erin­nern als mit dem herkömm­li­chen Bild­schirm. Die „Slow Eye Move­ments“ traten beim LED-Bildschirm 30 Prozent selte­ner auf (d.h. 30 Prozent mehr „Wach­heit“), Reak­ti­ons­zei­ten nahmen ab und die innere Uhr wurde um knapp eine Stunde verscho­ben. Das heißt, beim Arbei­ten am LED-Monitor erreich­ten die Proban­den erst circa eine Stunde später die Müdig­keits­werte der Kontroll­gruppe, die am norma­len Moni­tor arbei­tete. Ähnli­che Effekte wurden kürz­lich auch bei der Benut­zung von Tablet-PCs am Abend festgestellt.1
Tech­no­lo­gi­sche Möglich­kei­ten werden nicht umge­setzt
Das 21. Jahr­hun­dert gehört der LED und OLED, sie haben viele vorteil­hafte Eigen­schaf­ten und ermög­li­chen die Reali­sie­rung einer neuen Licht- und Lebens­qua­li­tät. Der Licht­all­tag im Büro sieht jedoch noch immer ganz anders aus. Die tech­no­lo­gi­schen Möglich­kei­ten moder­ner Beleuch­tungs­tech­nik sind im Büro­all­tag nicht einmal ansatz­weise umge­setzt. Eine Ursa­che dafür ist, dass bislang haupt­säch­lich bestehende Licht­kon­zepte mit LED-Lichttechnik »nach­ge­bil­det« werden, anstatt mit neuen Ansät­zen eine produk­ti­vere und menschen­ge­rech­tere Licht­at­mo­sphäre zu schaf­fen. Fabrik­hal­len, Büros, Bespre­chungs­zim­mer, Fitness­stu­dios, Hotel­lob­bys, Einkaufs­zen­tren, Kran­ken­häu­ser, Alters­heime und viele andere Einrich­tun­gen sind oft nur mit wenig Fens­tern ausge­stat­tet oder manch­mal komplett vom Tages­licht isoliert. Ob dort die Nach­bil­dung eines natür­li­chen Himmels mit Hilfe einer dyna­mi­schen Licht­de­cke, dem soge­nann­ten „Virtual Sky“ wünschens­wert wäre, wurde kürz­lich in einer Studie untersucht.2
Musik für die Augen
Der Proto­typ im Labor des Fraun­ho­fer IAO erstreckt sich über eine Fläche von 34 m² und inte­griert insge­samt 34.560 LED mit vier verschie­de­nen Grund­far­ben. Dadurch lassen sich über 16 Millio­nen Farben darstel­len. Diese sind in insge­samt 240 (20x12) einzeln ansteu­er­bare Quadrate (30x30cm) grup­piert, die wie Pixel eines Displays ange­steu­ert werden können; so wird eine sowohl zeit­lich als auch räum­lich dyna­mi­sche Beleuch­tung möglich. Ergänzt wird die diffuse Beleuch­tung des Virtual Sky durch insge­samt 350 warm-weiße LED mit Fokus­sie­rungs­op­tik zur geziel­ten direk­ten Beleuch­tung. Bei voller Leis­tung können Beleuch­tungs­stär­ken von über 3000 Lux erreicht werden. Die Spek­tren können aber auch nach Bedarf so justiert werden, dass sie dem Tages­licht­spek­trum sehr nahe kommen. Bei einer Farb­tem­pe­ra­tur von 5600K wird z.B. ein Farb­wie­der­ga­b­e­in­dex von Ra > 95 erreicht. Die Farb­tem­pe­ra­tur lässt sich stufen­los von circa 1500K bis 27.000K einstel­len. Durch die dyna­mi­sche Steue­rung lassen sich auch Videos von vorbei­zie­hen­den Wolken anzei­gen.
Wesent­li­ches Ziel bei der Entwick­lung des „Virtual Sky“ war die Schaf­fung einer dyna­mi­schen Beleuch­tung, die nicht als störend empfun­den wird, sondern das Wohl­be­fin­den und Leis­tungs­fä­hig­keit stei­gert. In einer Studie haben 30 Versuchs­per­so­nen jeweils einen Arbeits­tag in einem Büro mit und ohne dyna­mi­sche Beleuch­tung unter defi­nier­ten Versuchs­be­din­gun­gen verbracht. Unter dem „Virtual Sky“ wurde unsere Vermu­tung bestä­tigt: Bei dyna­mi­scher Beleuch­tung war das Wohl­be­fin­den signi­fi­kant größer und die Müdig­keit gerin­ger.
Nach jedem Test­tag wurden die Teil­neh­mer auch gefragt, wie ihnen das Licht gefal­len hat. Unter­schei­det man nach Art der durch­ge­führ­ten Tätig­kei­ten, hat sich folgen­des heraus­ge­stellt: Proban­den, die konzen­trierte Arbei­ten durch­ge­führt haben, haben das stati­sche Licht bevor­zugt, wohin­ge­gen bei krea­ti­ven Tätig­kei­ten das dyna­mi­sche Licht bevor­zugt wurde. Viel­leicht ist dyna­mi­sches Licht wie »Musik für die Augen«: Manch­mal braucht man entspan­nende Musik, manch­mal anre­gende und manch­mal auch gar keine, um uns in bestimm­ten Situa­tio­nen posi­tiv zu stimu­lie­ren.
Licht nach Emotion
In der Zukunft werden intel­li­gente Beleuch­tungs­sys­teme viel­leicht auch in der Lage sein, Zustände ihrer Nutzer und deren Arbeits­auf­gabe zu erfas­sen um sich auto­ma­tisch anpas­sen zu können. Ein Beispiel ist der Proto­typ „Smart Helio­sity“, welcher mittels einer Webcam die Mimik eines Benut­zers und damit seine Emotio­nen auswer­tet und die Beleuch­tung entspre­chend anpasst. Die Licht­farbe bezie­hungs­weise das Licht­spek­trum wirkt sowohl biolo­gisch als auch emotio­nal auf den Menschen. Das mensch­li­che Befin­den ist auch erfass­bar über weitere physio­lo­gi­sche Para­me­ter wie Herz­fre­quenz oder Haut­leit­wi­der­stand und kann durch multi­sen­so­ri­sche Systeme genauer einge­grenzt werden.
Als Beispiel für eine arbeits­hem­mende Emotion sei hier der Ärger über eine einge­hende E‑Mail genannt. Der Eingang der E‑Mail ist einfach zu erken­nen und kann in Verbin­dung mit Auswer­tung ande­rer Para­me­ter (Arbeits­um­ge­bung, Physio­lo­gie, Benut­zer­ver­hal­ten und Mimik) Rück­schlüsse auf den Ärger des Betrof­fe­nen zulas­sen. Gegen diesen Ärger reagiert Smart Helio­sity mit einem beru­hi­gen­den Licht­pro­gramm. Umge­kehrt kann das System auch eine akti­vie­rende Licht­stim­mung erzeu­gen, wenn Müdig­keit beim Benut­zer erkannt wird oder wenn ein wich­ti­ges Meeting auf dem Termin­ka­len­der steht.
Ein weite­res Beispiel neues­ter Entwick­lung ist „Helio­sity One“, die sechs verschie­den­far­bige LEDs mischt um in etwa das konti­nu­ier­li­che Sonnen­spek­trum zu simu­lie­ren. Mit dieser Leuchte hat der Nutzer die Möglich­keit, nicht nur die gewünschte Farb­tem­pe­ra­tur zu wählen, sondern auch frei zu entschei­den, ob er ein Wohl­fühl­licht mit opti­ma­ler Farb­wie­der­gabe möchte oder mehr Wert auf Ener­gie­ef­fi­zi­enz legt.
  • 1 Light level and dura­tion of expo­sure deter­mine the impact of self-luminous tablets on mela­to­nin suppres­sion. Wood B, Rea MS, Plit­nick B, Figueiro MG.Appl Ergon. 2013 Mar;44(2):237–40. doi: 10.1016/j.apergo.2012.07.008. Epub 2012 Jul 31.
  • 2 Moving clouds on a virtual sky affect well-being and subjec­tive tired­ness posi­tively, Oliver Stefani, Matthias Bues, Achim Pross, Sandra Mebben, Phil West­ner, Hein­rich Dudel, Horst Rudolph, 2012; In procee­ding of: CIE Ligh­t­ing Quality and Energy Effi­ci­ency, At Hang­zhou, China.
Autor
Oliver Stefani
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