Pulsplasma Lichtquellen



Innovative Lichttechnologie.


Wir alle kennen die Technologie, die bereits Grundlage vieler Gegenstände des täglichen Gebrauchs sind: Das Bluetooth-Headset, WLAN- Kommunikationstechnik für die verbindungslose Datenübertragung zwischen Computer und Peripheriegeräten, ferngesteuertes Kinderspielzeug, etc.

Mit der Funktechnologie werden heute Signale aller Art mit Hilfe elektromagnetischer Wellen im Radiofrequenzbereich (Radiowellen) drahtlos zu übertragen. Die Existenz von Radiowellen wurde 1864 von James Clerk Maxwell theoretisch vorhergesagt und 1888 von Heinrich Hertz experimentell bestätigt.

Seit den 1990er-Jahren entwickelten sich diverse Industriestandards für die Datenübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz per Funktechnik. Innerhalb des dafür notwendigen, weltweit zulassungsfreien ISM-Band (Industrial, Scientific, Medical Band) dürfen Geräte in einem Frequenzbereich zwischen 2,402 GHz und 2,480 GHz lizenzfrei betrieben werden.

Licht mit viel Hertz


Anwendungen in Industrie und Medizin, die innerhalb des ISM-Bandes eine Frequenz als Werkzeug einsetzen, verwenden in der Regel unmodulierte Radiowellen ohne aufgeprägte Informationen. Deshalb werden diese nicht der Funktechnik zugeordnet. Diese unmodulierten (elektromagnetischen) Mikrowellen verhalten sich wie Licht. Sie reflektieren, können gebrochen werden, interferieren und werden sehr gut durch Ferrite absorbiert. Manche militärischen Flugzeuge, Schiffe oder gepanzerte Landfahrzeuge werden deshalb mit einer entsprechenden Beschichtung versehen (Tarnkappentechnik), um sie vor der Ortung durch Radar zu schützen.

Aufgrund ihrer Wellenlänge sind die Frequenzen im ISM-Band besonders geeignet, um Moleküle zur Schwingung anzuregen. Bekannt ist dieser Effekt bei der Schwingungsanregung von Wassermolekülen im Mikrowellenherd. In ähnlicher Weise lassen sich bestimmte Füllsubstanzen in einem Entladungsgefäß gezielt über elektromagnetische Wellen des ISM-Bandes in einen Plasmazustand zu überführen, in dem die Moleküle im Gasgemisch auf ein höheres Energieniveau gebracht werden. In dem so ionisierten Gas emittieren die Elektronen bei der Entladung Licht in einer Wellenlänge (Lichtfarbe), die wiederum von den verschiedenen Atomen abhängt, die in der Füllstoffzusammensetzung Anwendung gefunden haben.

Bei konventionellen Gasentladungslampen werden Elektroden (z.B. Wolfram) innerhalb einer gasgefüllten Glasröhre verwendet, in der bei Anlegen einer Spannung die Gasentladung mit dem elektrischen Stromfluss verbunden ist. Zwischen den Gasen, den Elektroden und der Wand des Entladungsgefäßes kommt es dabei zu komplizierten chemischen und physikalischen Reaktionen, die dazu führen, dass sich die Zusammensetzung des abgestrahlten Lichts mit der Zeit ändert und die Lichtleistung nachlässt.

Leuchten ohne Quecksilber


Alternativ beschäftigt sich die Wissenschaft mit so genannten Molekülstrahlern, um den Einsatz des toxischen Quecksilbers zu vermeiden. Die Molekülstrahler werden mit diversen Salzen, chemischen Verbindungen zwischen Metallen und Nichtmetallen oder deren Oxiden, gefüllt. Diese Salze erreichen eine gleichwertige bzw. höhere Effizienz als Quecksilber und erzeugen ein ausgeglichenes Lichtspektrum.

Turning Frequency into Light


Seit drei Jahren forscht ein deutsches Entwicklungskonsortium unter technischer Leitung von Prof. Dr.-Ing. Holger Heuermann, Leiter des Labors für Hoch- und Höchstfrequenztechnik der University of Applied Sciences in Aachen, und Dr.-Ing. Rainer Kling, Leiter der Abteilung Licht- und Plasmatechnologien des Lichttechnischen Instituts des Karlsruher Institutes für Technologie (KIT), an der Entwicklung elektrodenloser Plasmalampen, die im ISM-Band betrieben werden können.

Der Vorteil liegt auf der Hand: da keine Elektroden in der Gasentladungskammer vorhanden sind, ist ein Elektrodenabbrand ausgeschlossen. Die Komplexität der chemischen und physikalischen Reaktionen wird reduziert und neue Freiheitsgrade werden bei der Wahl der Füllung möglich. Elektrodenlose Lampen verfügen in der Regel über extrem hohe Betriebslebensdauern. Die Lebensdauer hängt nun nicht mehr vom Abbrand der Elektroden ab, sondern z. B. von dem Diffusionsgrad der Gase durch den Entladungsraum und dieser wiederum vom Innovationsgrad der eingesetzten Materialien. Elektrodenlose Induktionslampen erbringen beispielsweise höchste Leistung in der Straßen- und Industriebeleuchtung und liefern nach weit über 60.000 Betriebsstunden oft noch bis zu 80% des Nenn-Lichtstromes.

Physikalisch werden die Pulsplasma-Lampen des Entwicklungskonsortiums über einen ISM-Band-Spannungstransformator betrieben. Dieser besondere, in der Optimierung komplexe, aber in der Herstellung sehr preiswerte Transformator realisiert sowohl die Zünd- als auch die Betriebsstufe. Er erzeugt zunächst mehrere Kilovolt Hochspannung zur sicheren Zündung einer Entladung, um unmittelbar nach der Ionisierung die Frequenzen so anzupassen, dass eine optimale Schwingungsanregung der Füllstoffe im Gasentladungsraum für einen effizienten Lampenbetrieb gegeben ist.