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Ist das gesund?

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
Visu­al Tech­nolo­gies
Fraun­hofer IAO
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