Wissenschaft

Intelligente Beleuchtungssysteme für Innenräume

Studentischer Wettbewerb an der TU Ilmenau mit innovativen Lichtkonzepten

Auf einen Blick

Zum Sommersemester 2014 rief der Verein zur Förderung des Fachgebiets Lichttechnik der Technischen Universität Ilmenau e. V. zu einem studentischen Ideenwettbewerb mit dem Titel »Neue Lichtquellen brauchen neue Konzepte« auf. Am 24. Oktober 2014 vergab die Jury zwei Preise, dotiert mit jeweils 500 Euro: an Florian Brill, Master-Student der Optronik und Florian Wolf, Maschinenbau-Student. 

Dr. Reinhard Weitzel, Vorsitzender des Fördervereins, mit den Preisträgern des studentischen Ideenwettbewerbs Florian Wolf (links) und Florian Brill (rechts). Foto: Ingo Herzog

Eingeschriebene Studierende aus Bachelor-, Master- oder Diplomstudiengängen der Universität wurden dazu eingeladen, am Wettbewerb teilzunehmen. Ziel des Fördervereins war es, die Kreativität im Umgang mit neuen Technologien zur Lichterzeugung wie LED oder OLED bei den Studierenden zu wecken. Die Aufgabe bestand darin, Konzepte für die Beleuchtung von Innenräumen zu entwerfen, deren Realisierung mit aktuellen oder auch künftigen Technologien innerhalb der nächsten fünf Jahre grundsätzlich möglich wäre. Der Schwerpunkt lag auf der Beleuchtungsqualität für den Menschen, weitere Aspekte wie etwa Kommunikation oder Information durften mit einbezogen werden. Die Jury beurteilte die eingereichten Arbeiten nach ihrem Innovationsgrad, in welchem Rahmen sie dem Menschen nützen, nach ihrer Bedienbarkeit und den Möglichkeiten für eine reelle Umsetzung.

Für seinen Entwurf ließ sich Brill von »OneSpace« inspirieren. Die Lichtdecke von Philips kombiniert LED-Lichttechnik mit textilen Paneelen. »OneSpace« ist dimmbar, spendet ein gleichmäßiges, blendfreies, tageslichtähnliches Licht und verfügt über Akustikelemente. Foto: Philips

Florian Brill: SKYLIGHT

»Skylight« nennt Florian Brill seinen Entwurf für ein flächenhaftes Beleuchtungssystem. Die Installation erfolgt über die gesamte Deckenfläche eines Raumes, um eine diffuse und homogene Ausleuchtung zu erzeugen. »Skylight« passt sich dabei dem Tageslicht in Echtzeit an und erlaubt das Programmieren verschiedener Beleuchtungsszenarien. Der Einsatz ist sowohl für den Home- als auch Officebereich konzipiert.

»Skylight« ist dimmbar. Je nach Bedarf lassen sich Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur verändern oder leuchtende Bereiche definieren. Für die private Nutzung ist für das Schlafzimmer eine zusätzliche Weck-Funktion vorgesehen, um die Aufwachphase und den Biorhythmus zu begünstigen. Der Sonnenaufgang wird imitiert, indem die Beleuchtungsstärke langsam ansteigt. Die Adaption ans Tageslicht wirkt sich sowohl in der häuslichen Situation als auch im Officebereich positiv für die Bewohner bzw. Mitarbeiter aus: aktive und regenerierende Phasen werden durch die Anpassung an das natürliche Licht bewusst unterstützt.

Im Wettbewerbs-Entwurf funktioniert »Skylight« auf Basis eines RGB-LED Arrays mit Diffusorebene, um die Ansteuerung jedes einzelnen Elements zu erlauben (eine Alternative wäre der Einsatz einer RGB-OLED-Folie). Jeder Punkt der Matrix besteht aus vier LEDs, drei farbgebenden (RGB) und einer neutralweißen LED. Sie sind dicht aneinander angeordnet, um eine gleichmäßige Farbmischung zu generieren. Die Lichtverteilung wird unterstützt durch eine Vorsatzoptik. Die Diffusorebene besteht aus einer planen, lichtdurchlässigen Oberfläche, die das Licht breit streut. Florian Brill: »Da sich die leuchtende Fläche über die gesamte Decke erstreckt, ist die effektive Leuchtdichte an jeder Stelle deutlich geringer als bei herkömmlichen Beleuchtungssystemen. Die Blendung kann somit effektiv vermieden werden.«

Skylight wird über eine zentrale Steuereinheit bedient, durch ein im Raum installiertes Element oder per App mit dem Smartphone oder Tablet. Da die gesamte Decke als Leuchtfläche dient, ist das Platzieren weiterer Leuchten nicht nötig. Im ausgeschalteten Zustand hält sich Skylight optisch zurück und erscheint als herkömmliche, weiße Decke, die sich jeglicher Architektur anpassen kann. Durch die Orientierung ans Tageslicht will Skylight ein Ambiente schaffen, das von einem natürlichen Lichteindruck geprägt ist.

Basis für »Skylight« bildet ein RGB-LED-Array hinter einer lichtdurchlässigen Diffusorebene. Die LED-Elemente sind einzeln ansteuerbar. Zeichnung: Florian Brill

Eine entsprechende Vorsatzoptik sorgt für eine gute Durchmischung und das Überlappen der einzelnen Lichtverteilungen in der Diffusor-Ebene. Zeichnung: Florian Brill

Sensoren messen die Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur des Sonnenlichts. Die zentrale Steuereinheit von »Skylight« berechnet danach den Lichtstrom und reguliert die ans Tageslicht angepasste Beleuchtung. Zeichnung: Florian Brill

Florian Wolf: LEUCHTTEXTILIEN

In seinem Konzept zur Innenraumbeleuchtung sieht Florian Wolf Leuchttextilien vor, die als diskrete Lichtquelle dienen und welche die vorhandene Raumbeleuchtung als Stimmungslicht ergänzen. In diese Textilien sind optisch leitende Fasern so eingearbeitet, dass die Stoffe ihre Flexibilität behalten und weiterhin zu reinigen sind. Das Material lässt sich dabei vielseitig einsetzen, etwa in Form von Vorhängen, Kissenbezügen oder Tischdecken. Für die Herstellung bezieht er sich auf ein Verfahren aus dem Bereich der Medizintechnik.

In der Regel sollen optische Fasern das Licht möglichst verlustfrei übertragen. Für einen gewollten Lichtaustritt ist es daher notwendig, die Fasern entsprechend zu bearbeiten. Bei der Webtechnik wird die Faser entweder beschädigt (»Twinkling Sidelight Fasern«) oder gekrümmt. Beim Krümmen werden die Fasern mit eingewebt, dabei legen sie sich um die Schussfäden. Um die Form stabil zu halten, wird das Gewebe anschließend laminiert. Florian Wolf: »Beide Verfahren erzeugen dabei ein Gewebe, welches alles andere als flexibel ist und sich stark künstlich anfühlt.« Sie eignen sich zur Nutzung als flächige Elemente. Durch eine vorgeschaltete Lichtquelle strahlen die farbneutralen Fasern dann jede gewünschte Farbe ab oder sie erhalten eine Beschichtung in einem definierten Farbton.

Die Medizin nutzt Textilien als Lichtverteiler im Rahmen der fotodynamischen Krebstherapie. Funktionelle Polymere dienen als Lichtleiter und werden mithilfe der Stickerei-Technologie verarbeitet, etwa zu solchen Pads, mit denen sich Oberflächen und Körperhöhlen behandeln lassen. Das körpernahe Gewebe ist weich, flexibel und ist auch in geringer Dicke herstellbar. Foto: Empa

STICKEN STATT WEBEN

Für seine Leuchttextilien bezieht sich Florian Wolf auf eine Herstellungsart, die bisher nur in der Medizintechnik Anwendung findet. Hierbei werden die optischen Fasern gekrümmt und in ein Gewebe eingestickt. Mithilfe dieser Lichtleiter aus Kunststoff (PMMA) ist es möglich, Produkte herzustellen, die dünn und flexibel, weich und elastisch sind. Leuchtende, kleine Pads setzt die Medizin zum Beispiel im Rahmen von Krebs- oder Wundtherapien ein. Der Vorteil dieser Stickerei-Textiltechnik liegt vor allem darin, dass ein flexibles, nicht laminiertes und hautfreundliches Gewebe entsteht, mit dem sich leuchtende Flächen frei gestalten lassen. Das Konzept sieht vor, die Fasern mit einer Lichtquelle, in diesem Fall mit Mikro-LEDs, zu verbinden. Die Fasern werden dabei nicht wie üblich zu einem großen, sondern zu vielen kleinen Faserbündeln zusammengefasst. Deren Enden stehen frei, um sie mit Mikro-LEDs oder mit weiteren Fasern zu koppeln. Das ermöglicht auch die Kombination mit stärkeren Lichtquellen, um ein bestimmtes Beleuchtungsniveau gleichmäßig über die gesamte Fläche zu verteilen. Eine computergestützte Steuerung regelt alle Einstellungen wie Farbe und Lichtintensität. Eine mögliche Anwendung dieser Technik sieht Wolf auch für die Außenwerbung, den Automobilbereich (dynamisch oder statisch leuchtende Logos und Schriftzüge) sowie in Bezug auf intelligente Kleidung.

Eingewebte, optische Fasern (Twinkling Sidelight Fiber) bringen das Gewebe zum Leuchten. Foto: Midlightsun

Optische Fasern sind an LEDs gekoppelt, die eine vielseitige Farbgestaltung erlauben. Solche Leuchttextilien finden ihren Einsatz z.B. in der Inneneinrichtung, im Bereich Mode und Theater. Foto: Midlightsun

Technische Universität Ilmenau

Das Fachgebiet Lichttechnik an der TU Ilmenau umfasst in Lehre und Forschung die Bereiche Physiologische Optik, Lichtmesstechnik, Farbmetrik, Lampen, Leuchten und Beleuchtungs- bzw. Bestrahlungstechnik. Die Fakultät Maschinenbau bietet diese Bereiche als Direktstudium und als weiterbildendes Studium »Lichtanwendung« an. Daneben werden auch Vorlesungen für die Studiengänge Medientechnologie (Studiobeleuchtung. Lichtgestaltung) und Biomedizinische Technik angeboten. Fachgebietsleiter ist Professor Schierz.
www.tu-ilmenau.de/lichttechnik/

12. Ilmenauer Lichttag »Licht und Ökologie«, 07.03.2015
September 2015: Lux junior, Tagung für den lichttechnischen Nachwuchs www.tu-ilmenau.de/lichttechnik/lux-junior

Weitere Informationen:

Autorin: Andrea Mende, Leipzig
www.empa.ch
Philips GmbH Market DACH, Hamburg, www.philips.de
www.midlightsun.com


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