LED-Leuchten sollen Energie sparen. Sie schaffen eklatante Probleme

Jun 11, 2023

(Daten vom National Park Service)

(Daten vom National Park Service)

(Daten vom National Park Service)

Nachts bedecken helle Sterne oft den dunklen Himmel. Zumindest früher.

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Mit der Entwicklung der Gesellschaften wurden die Sterne am Horizont immer weniger sichtbar. In einem Landkreis im US-Bundesstaat Washington wurde die Klarheit des Nachthimmels durch nach oben strahlende Lichter getrübt, die die Sicht versperrten. Diese Lichtverschmutzung würde nur noch schlimmer werden. Chelan County, 2018

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Zu einem unerwarteten Anstieg der Umweltverschmutzung kam es, nachdem Chelan County auf LED-Straßenlaternen umgestiegen war, die hell leuchten und dabei weniger Energie verbrauchen als herkömmliche Glühbirnen. Ein Jahr nach Beginn der Veränderung verdeckte die zusätzliche Blendung etwa die Hälfte der zuvor sichtbaren Sterne. Chelan County, 2019

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Was dort geschah, ist kein Einzelfall.

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In den letzten Jahren haben Städte, Gemeinden und kleine Gemeinden auf der ganzen Welt an einer radikalen Revolution teilgenommen – unserer Glühbirnen. Herkömmliche orangefarbene Natriumdampf-Hochdrucklampen werden durch energieeffizientere, weißere und hellere LED-Leuchten (Leuchtdioden) ersetzt. Doch der Aufstieg der LEDs wirft auch neue Probleme für unseren Nachthimmel und unsere Gesundheit auf.

Wissenschaftler fanden heraus, dass der Nachthimmel im Laufe des letzten Jahrzehnts jedes Jahr um fast 10 Prozent heller geworden ist, weil künstliches Licht, vor allem LEDs, zu viel Blendung ausstrahlt. Straßenlaternen sind Teil des Problems, ebenso wie beleuchtete Werbetafeln und Stadionlichter.

Dieselben Außenleuchten wirken sich auch auf unsere Gesundheit aus. Herkömmliche Arten von LED-Leuchten enthalten höhere Anteile blauerer Wellenlängen, die sich auf das nächtliche Verhalten von Menschen auswirken können. Sie stören unseren Tagesrhythmus, schwächen die Leistungsfähigkeit unseres Immunsystems und erhöhen das Auftreten bestimmter Krankheiten, einschließlich Krebs.

„Die Menschen müssen verstehen, dass LED-Leuchten überall installiert werden, nicht nur als Straßenlaternen, sondern dass sie in alle Richtungen strahlen“, sagte Jim White, leitender Energieeffizienzingenieur beim Chelan County Public Utility District, der bei der LED-Umstellung des Landkreises geholfen hat.

Aber er fügte hinzu: „Es ist eine Form der Umweltverschmutzung, die wir lösen könnten.“

Agenturen und Organisationen wie der National Park Service und die American Medical Association haben Möglichkeiten zur Reduzierung der Lichtverschmutzung und ihrer schädlichen Auswirkungen auf das Leben empfohlen. Die Veränderungen beginnen damit, welche Art von LED-Leuchte man überhaupt kauft.

Die Besorgnis ist in den letzten Jahren mit dem Aufkommen der neuen LED-Technologie ans Licht gekommen. LED-Leuchten sind die olympischen Marathonläufer unter den Glühbirnen: Sie verbrauchen bis zu 90 Prozent weniger Energie und können bis zu 25-mal länger halten als herkömmliche Glühlampen.

Da es sich um die energieeffizienteste Glühbirne auf dem Markt handelt, ist es keine Überraschung, dass so viele Menschen diese Technologie übernehmen. Das Energieministerium schätzte, dass LEDs im Jahr 2017 etwa 19 Prozent aller Beleuchtungsinstallationen ausmachten und etwa 1 Prozent des gesamten Energieverbrauchs in den Vereinigten Staaten einsparten. Bis 2035 sollen Leuchten 84 Prozent der Beleuchtungsanlagen ausmachen. Es wird erwartet, dass Straßen-, Park-, Gebäudeaußen- und Flächenbeleuchtungen – bei denen es sich typischerweise um Anwendungen mit einem hohen Lumen-Wert, einem Maß für die Helligkeit – handelt, bis 2035 nahezu vollständig auf LED-Leuchten umgestellt werden.

White war begeistert, dass Chelan County, das mitten im Bundesstaat liegt und etwa 80.000 Einwohner hat, Teil der LED-Lichtrevolution sein konnte. Ab 2014 begann der Chelan County Public Utility District, sich mit lokalen Regierungen, Gemeinden und Behörden zu treffen, um zu besprechen, was nötig wäre, um seine Straßenlaternen zu ersetzen. Im Jahr 2018 startete das Unternehmen ein 1,9-Millionen-Dollar-Projekt, das teilweise durch einen staatlichen Zuschuss des Washington State Department of Commerce finanziert wurde, um fast 3.700 Natriumhochdruck-Straßenlaternen (etwa 60 Prozent der Straßen- und Flächenbeleuchtung im Freien) durch LEDs zu ersetzen.

Die Energieeinsparungen waren spürbar. Nach der Umstellung sparten die neuen Lampen 2.612.491 Kilowattstunden – genug, um etwa 120 vollelektrische Haushalte im Landkreis ein Jahr lang mit Strom zu versorgen.

Aber es gab auch Nachteile: Forscher des National Park Service stellten fest, dass die LED-Lichter mehr Sterne auswaschen, insbesondere in der Nähe des Horizonts.

„Man merkt, dass die Beleuchtung stärker wird, also höher in den Himmel reicht … der gesamte Himmel wurde heller“, sagte Li-Wei Hung, ein Astronom beim National Park Service, der eine Studie über den LED-Umstieg im Chelan County veröffentlichte. „Noch vor ein paar Jahren war das für uns eine wirklich neue Erkenntnis. Verringert oder erhöht die Umstellung auf LEDs tatsächlich die Lichtverschmutzung? Wir wussten es nicht genau.“

Kameradaten zeigten, dass der Himmel über dem örtlichen Burch Mountain um 60 Prozent heller war, nachdem der Landkreis die Umstellung im Jahr 2019 abgeschlossen hatte, im Vergleich zu 2018. Das neue künstliche Licht lag nach der Umstellung bei 3,69-fachem natürlichen Lichtniveau; Vor dem Übergang erzeugte künstliches Licht das 2,30-fache des natürlichen Lichts. White sagte, die erhöhte Verschmutzung sei „eine völlige Überraschung“, da der öffentliche Versorgungsbezirk versucht habe, die Lichter auf den Boden zu richten, aber das Licht sei immer noch gestreut worden.

Detaillierte Daten zum nächtlichen Leuchten einzelner Städte sind schwer zu erhalten, weshalb der Übergang im Chelan County eine wichtige Fallstudie für das Verständnis sowohl der guten als auch der schlechten Auswirkungen von LED-Lichtern darstellt. Doch Beobachtungen und Anekdoten zeigen, dass Chelan County nicht allein ist. Von 2011 bis 2022 zeigten Berichte von Bürgerwissenschaftlern, dass der durchschnittliche Nachthimmel jedes Jahr um 9,6 Prozent heller wurde, was die Forscher auf den Ersatz von LED-Licht zurückführen. Einige Städte, wie zum Beispiel Washington D.C., pausierten den Übergang zu LEDs, nachdem sich Anwohner darüber beschwert hatten, dass die hellen Lichter ihren Schlaf störten.

Die blauen LED-Leuchten sind klar erkennbar

Baltimores Metropolregion, wenn man sie betrachtet

von der Internationalen Raumstation.

Baltimore

Chesapeake

Bucht

Mittlerweile ältere bernsteinfarbene Lichter

des Großraums DC haben eine

kontrastierendes orangefarbenes Leuchten

Maryland und

DC-Grenze

Washington, D.C

Quelle: NASA, 15. September 2020

Die blauen LED-Leuchten sind klar erkennbar

Baltimores Metropolregion, wenn man sie betrachtet

von der Internationalen Raumstation.

Baltimore

Chesapeake

Bucht

Mittlerweile ältere bernsteinfarbene Lichter

des Großraums DC haben eine

kontrastierendes orangefarbenes Leuchten.

Maryland und

DC-Grenze

Washington, D.C

Quelle: NASA, 15. September 2020

Die blauen LED-Leuchten sind klar erkennbar

Baltimores Metropolregion, wenn man sie betrachtet

von der Internationalen Raumstation.

Chesapeake Bay

Baltimore

Patapsco-Fluss

Inzwischen sind ältere bernsteinfarbene Lichter von

Der Großraum DC weist einen kontrastierenden orangefarbenen Schimmer auf.

Grenze zwischen Maryland und DC

Washington, D.C

der Potomac

Quelle: NASA, 15. September 2020

Die blauen LED-Leuchten sind klar erkennbar

Baltimores Metropolregion, wenn man sie betrachtet

von der Internationalen Raumstation.

Chesapeake Bay

Baltimore

Patapsco-Fluss

Inzwischen sind ältere bernsteinfarbene Lichter der

Der Großraum DC weist einen kontrastierenden orangefarbenen Schimmer auf.

Grenze zwischen Maryland und DC

Washington, D.C

Quelle: NASA, 15. September 2020

Aber warum erscheint das Licht von LED-Lampen am Nachthimmel stärker als bei anderen Beleuchtungsarten? Die Antwort liegt im blauen Licht der LED.

LED-Leuchten geben mehr blaues Licht ab als herkömmliche Glühbirnen. Blaues Licht breitet sich bei kürzeren Wellenlängen (450 bis 495 Nanometer) und höheren Frequenzen aus, wodurch Luftpartikel schneller oszillieren und in der Atmosphäre stärker gestreut werden als andere Farben. Das Blau wird am Himmel in verschiedene Richtungen umgeleitet. Deshalb erscheint auch unser Himmel blau.

Das menschliche Auge reagiert auch äußerst empfindlich auf die Wellenlänge von blauem Licht. Sie erinnern sich vielleicht an zwei Arten von Fotorezeptoren in unseren Augen, Stäbchen und Zapfen genannt, die uns helfen, Farben und Schattierungen zu erkennen. In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler die Funktion eines anderen Photorezeptors identifiziert, der als intrinsisch lichtempfindliche retinale Ganglienzelle oder ipRGC bezeichnet wird. Diese Photorezeptoren reagieren empfindlich auf kürzere Wellenlängen und tragen dazu bei, dass Menschen wachsam bleiben, indem sie ein Hormon namens Melatonin unterdrücken, das für unseren Schlaf eine Rolle spielt.

„Eines der Kennzeichen unserer zirkadianen Uhr ist diesmal die Produktion von Melatonin. Melatonin korreliert mit Schläfrigkeit“, sagte Manuel Spitschan, Neurowissenschaftler an der Technischen Universität München und dem Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik. „Wenn man Menschen nachts oder abends dem Licht aussetzt, unterdrückt man die Produktion von Melatonin.“

Spitschan erklärt, dass die ipRGCs schnell zu feuern beginnen, wenn blaueres Licht auf unser Auge trifft, und zwar aufgrund eines lichtempfindlichen Moleküls namens Melanopsin, das Photonen in ein elektrisches Signal an das Gehirn umwandelt, um die Melatoninproduktion zu unterdrücken. Je mehr Photonen vom ipRGC eingefangen werden, desto stärker ist das vom Photorezeptor erzeugte Signal, was zur Unterdrückung von Melatonin führt.

Melanopsins Empfindlichkeit gegenüber Blau

LED-Licht

Melatonin wird unterdrückt, wenn die

lichtempfindliches Melanopsin wird aktiviert.

Heller

Melanopsin

Empfindlichkeit

Wärmer

bernsteinfarbene LED

Weniger

Hell

Kühler

blaue LED

400

450

500

550

600

650

700

750

Wellenlänge (Nanometer)

Quelle: Manuel Spitschan (TUM)

Melanopsin-Empfindlichkeit gegenüber blauem LED-Licht

Melatonin wird unterdrückt

wenn die lichtempfindliche

Melanopsin wird aktiviert.

Heller

Melanopsin

Empfindlichkeit

Wärmer

bernsteinfarbene LED

Kühler

blaue LED

Weniger hell

400

450

500

550

600

650

700

750

Wellenlänge (Nanometer)

Quelle: Manuel Spitschan (TUM)

Melanopsin-Empfindlichkeit gegenüber blauem LED-Licht

Heller

Melatonin wird unterdrückt, wenn

das lichtempfindliche Melanopsin wird aktiviert.

Melanopsin

Empfindlichkeit

Kühler

blaue LED

Wärmere bernsteinfarbene LED

Weniger hell

400

450

500

550

600

650

700

750

Wellenlänge (Nanometer)

Quelle: Manuel Spitschan (Technische Universität München und MPI)

Ohne Melatonin, das Schläfrigkeit auslöst, ist es wahrscheinlicher, dass Menschen länger wach bleiben. Störungen unseres zirkadianen Rhythmus werden mit Krebsfällen wie Brustkrebs in Verbindung gebracht und von der Weltgesundheitsorganisation als wahrscheinlich krebserregend eingestuft. Andere Untersuchungen haben gezeigt, dass Unterbrechungen unseres zirkadianen Rhythmus mit einigen Herzproblemen verbunden sind.

„Nachts reagieren wir empfindlicher auf blaues Licht als tagsüber“, sagt Chris Kyba, der am Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ künstliches Licht in der Nachtumgebung quantifiziert.

Es gibt eine Welt, in der es energieeffizientere LED-Leuchten gibt, die die Nachtlandschaft oder unsere Gesundheit nicht wesentlich beeinträchtigen.

Die Lichtverschmutzung „kann mit LEDs verbessert werden, aber dem Design muss viel Aufmerksamkeit geschenkt werden“, sagte Ashley Pipkin vom National Park Service, Biologin und Mitautorin der Studie zur Lichtverschmutzung im Chelan County.

Diese Lösungen, vom Kauf einer bestimmten Art von LED-Leuchte bis hin zu Änderungen, die die Blendung verhindern, können auf Stadtebene und für einzelne Häuser umgesetzt werden.

Wählen Sie das richtige Licht und die richtige Helligkeit für Ihre Bedürfnisse

Der National Park Service sagt, dass eine Möglichkeit, die Lichtverschmutzung am Nachthimmel zu reduzieren, darin besteht, bewusst zu entscheiden, wo die Beleuchtung platziert wird: Wird an dieser Stelle wirklich eine Lampe benötigt? Und welche Helligkeit ist für diesen Lichteinsatz geeignet?

Pipkin erklärte, dass wir bei Glühbirnen normalerweise nach der Wattzahl denken, also danach, wie viel Energie die Glühbirne verbraucht, aber unser Fokus muss sich bei LEDs ändern. LEDs verbrauchen weniger Watt als herkömmliche Glühlampen, und Menschen sollten ein Licht basierend auf Lumen wählen, das oft als Helligkeit angegeben wird.

Viele Menschen verwenden viel hellere LED-Leuchten als nötig, insbesondere im Freien. Im Idealfall können Sie eine LED mit deutlich geringerer Wattzahl kaufen und haben dennoch die gleiche Helligkeit wie eine Glühbirne. Nach Angaben des National Park Service hat eine 30-Watt-LED-Glühbirne die gleiche Lumenzahl wie eine 250-Watt-Glühbirne. Pipkin fügte jedoch hinzu: „Die Branche bietet oft nicht genügend Optionen mit geringen Lumen.“

Darüber hinaus kann es unnötig sein, jede herkömmliche Glühbirne durch eine LED-Glühbirne zu ersetzen. „Man braucht nicht viel Watt, um die Straßenecke zu beleuchten“, sagte White.

Verwenden Sie wärmere LED-Leuchten

Lichttemperatur auf der Kelvin-Skala

2000K

3000K

4000K

5000K

Die dargestellten Farben sind eine Annäherung an die verschiedenen Farbtemperaturen.

Nicht alle LED-Leuchten sind gleich. Wenn Sie in den Laden gehen, sehen Sie möglicherweise einige LED-Leuchten mit der Aufschrift 4.000 Kelvin, 3.000 Kelvin oder sogar 2.000 Kelvin. Diese Temperaturen hängen davon ab, ob das Licht wärmer (gelber) oder kühl (blauer) erscheint.

Da unsere Augen nachts empfindlich auf blaues Licht reagieren, empfehlen Ärzte den Kauf von LED-Leuchten mit wärmeren Farbtönen wie Gelb oder Bernstein. Das bedeutet, LED-Leuchten unter 4.000 Kelvin zu verwenden. Im Durchschnitt haben LED-Leuchten bei 4.000 Kelvin einen Blauanteil von etwa 29 Prozent. Lichter bei 3.000 Kelvin liegen bei etwa 21 Prozent. Heutzutage sind LED-Leuchten bereits ab 2.000 Kelvin erhältlich. Wärmere Farbtöne streuen auch weniger in der Atmosphäre als kühles blaues Licht.

Aber Lichthersteller gehen nur langsam auf wärmere Farbtöne um, sagte Mario Motta, ein pensionierter Kardiologe, der an der Ausarbeitung der AMA-Empfehlungen zur Reduzierung der Lichtverschmutzung mitgewirkt hat. Als er die Empfehlungen vor mehr als fünf Jahren verfasste, erinnerte er sich an den Widerstand von Unternehmen, die bereits einen Überschuss an Leuchten mit dem höchsten Blaulichtanteil gekauft hatten.

White von Chelan County sagte, es bestehe noch nicht genügend Nachfrage bei den Herstellern, um viele Leuchten mit nur 2.000 Kelvin herzustellen. „Wir brauchen mehr Leute, die danach fragen und darauf bestehen“, sagte er.

Blockieren oder begrenzen Sie das Licht

In Ihrem Zuhause können Verdunkelungsvorhänge verhindern, dass Straßenlaternen in die Schlafzimmer fallen, was dazu beitragen kann, die Auswirkungen auf Ihren Schlaf einzudämmen.

Bewegungsmelder, Zeitschaltuhren und Dimmer können außerdem dazu beitragen, unnötige Lichtstunden zu reduzieren und gleichzeitig mehr Energie zu sparen.

Direktes Licht strahlt nach unten

Für Leuchten außerhalb Ihres Hauses oder in öffentlichen Räumen empfehlen Experten, das Licht nach unten zu richten. Vermeiden Sie unbedeckte oder freiliegende Leuchten, die ihr Licht nach oben und horizontal abstrahlen. Auch der Winkel und die Höhe des Lichts können die Ausbreitung des Strahls beeinflussen.

Das Richten von LED-Lichtstrahlen nach unten kann zwar dazu beitragen, die Lichtverschmutzung zu reduzieren, sie muss jedoch nicht unbedingt beseitigt werden – wie im Chelan County. Helles Licht mit viel Blau, sagte Pipkin, kann vom Boden reflektiert und in den Nachthimmel gestreut werden, was immer noch zur Lichtverschmutzung beiträgt. Deshalb ist es wichtig, LEDs bei wärmeren Temperaturen und mit geringer Lumenzahl zu kaufen.

Seit der Umstellung der Straßenlaternen im Chelan County auf LEDs haben White und seine Kollegen noch keine weiteren Änderungen vorgenommen. Sie planen, Änderungen vorzunehmen, sobald fortschrittlichere kommerzielle Produkte verfügbar sind. Einige davon könnten es ermöglichen, dass die Lichter nachts nach einer festgelegten Zeit gedimmt werden oder heller werden, wenn sich Fahrzeuge nähern.

Mit besseren Veränderungen in der Zukunft hofft White, dass wieder Nachtsterne den Himmel füllen werden.

„Ich liebe es, mein Teleskop herauszuholen und die Ringe des Saturn sowie die Sterne und Monde auf den anderen Planeten zu sehen. Wir haben alles versucht, was wir konnten, und dazu die beste verfügbare Technologie genutzt“, sagte White. „Es ist ein allgemeines Problem, dessen sich jeder bewusst sein muss.“

So begrenzen Sie die Lichtverschmutzung

Verwenden Sie mehr Bernstein oder

niedrigere Temperatur

(z. B. 2.700 Kelvin)

LED-Lampen

Verdunkelungsvorhänge können

draußen verhindern

Licht vom Eindringen

Ihr Haus

Straßenlaternen mit Kapuze

kann direkt weiterhelfen

und enthalten Licht

Wenden Sie Bewegung an

Erkennung oder Dimmung

zu Leuchten

Verwenden Sie Timer oder

Dimmer an Lichtern

So begrenzen Sie die Lichtverschmutzung

Verwenden Sie mehr Bernstein oder

niedrigere Temperatur

(z. B. 2.700 Kelvin)

LED-Lampen

Verdunkelungsvorhänge können

Außenlicht verhindern

vom Betreten Ihres Hauses

Straßenlaternen mit Kapuze

kann direkt weiterhelfen

und enthalten Licht

Wenden Sie Bewegung an

Erkennung oder Dimmung

zu Leuchten

Verwenden Sie Timer oder

Dimmer an Lichtern

So begrenzen Sie die Lichtverschmutzung

Verwenden Sie mehr Bernstein oder

niedrigere Temperatur

(z. B. 2.700 Kelvin)

LED-Lampen

Verdunkelungsvorhänge können

Außenlicht verhindern

vom Betreten Ihres Hauses

Wenden Sie Bewegung an

Erkennung oder Dimmung

zu Leuchten

Straßenlaternen mit Kapuze

kann direkt weiterhelfen

und enthalten Licht

Verwenden Sie Timer oder

Dimmer an Lichtern

So begrenzen Sie die Lichtverschmutzung

So begrenzen Sie die Lichtverschmutzung

Straßenlaternen mit Kapuze

kann direkt weiterhelfen

und enthalten Licht

Verwenden Sie mehr Bernstein oder

niedrigere Temperatur

(z. B. 2.700 Kelvin)

LED-Lampen

Verwenden Sie Timer oder

Dimmer

auf Lichter

Verdunkelungsvorhänge können

Außenlicht verhindern

vom Betreten Ihres Hauses

Wenden Sie Bewegung an

Erkennung oder Dimmung

zu Leuchten

Der National Park Service hat die Bilder aufgenommen, die den Nachthimmel und die Lichtverschmutzung im Chelan County zeigen. Um ein vollständiges Bild des Nachthimmels zu erstellen, hat NPS 47 verschiedene Fotos zusammengefügt. Dabei kann es zu Lücken zwischen den einzelnen Bildern kommen, von denen einige in den Bildern der Geschichte sichtbar sind. Die im Vordergrund sichtbaren Bäume erscheinen in den Originalbildern nicht. Abendgeräusche stammen von der Abteilung für Naturgeräusche und Nachthimmel des National Park Service. Lösungen zur Reduzierung der Lichtverschmutzung stammen vom National Park Service.