Chemie in Glühlampen

Vortrag von Thomas Heidl im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", WS 02/03

Gliederung:

1. Zur Geschichte der Beleuchtungstechnik

Absolute Dunkelheit können wir uns als moderne Menschen heute kaum noch vorstellen. Selbst nach Sonnenuntergang erhellen Mond und Sterne unsere Umwelt, und in unseren Häusern suchen wir wie selbstverständlich nach dem Lichtschalter. Da unsere Vorfahren nachts in ihren Höhlen allerdings wirklich absoluter Dunkelheit ausgesetzt waren, ist es als Meilenstein in der Entwicklung der Menschheit anzusehen, als Homo erectus vor etwa einer halben Million Jahren die Beherrschung des Feuers lernte.

Schon früh kam der Mensch auf die Idee, besonders hell leuchtende Holzstücke, vorzugsweise harzreiches Kiefernholz, aus dem Feuer herauszuziehen und als Lichtquelle zu nutzen. Bis ins Mittelalter hinein war dann genau das eine wichtige Lichtquelle in menschlichen Behausungen: der Kienspan.

Etwa 40000 Jahre vor heute sind erste primitive Öllampen anzusiedeln. Sie waren nichts weiter als einfache Kalkschalen (z. B. Muscheln), die mit tierischem Fett (Seehundfett, Rindertalg, etc.) oder pflanzlichem Öl befüllt wurden. Als Docht dienten Gras, Flechten oder getrocknetes Moos. Die Öllampen blieben bis ins 18./19. Jahrhundert in ihrer Funktion weitgehend gleich, erhielten lediglich ein "moderneres" Design. Der Docht wurde verbessert zum Runddocht, der eine bessere Luftzufuhr gewährleistete und Petroleum fand als Brennstoff Verwendung.

Im Zeitraum von etwa 2000 Jahren vor Christi Geburt beginnt die Kerze ihren Siegeszug. Zunächst fand festes tierisches Fett (Rindertalg) und das teurere Bienenwachs Verwendung. Erst im 19. Jahrhundert setzte sich das aus tierischem Fett gewonnene Stearin (Verseifung mit Ca(OH)₂!) und das aus Erdöl gewonnene Paraffin durch. Die Erfindung des asymmetrisch gewebten Dochtes, der sich selbstständig krümmt und damit am Flammenrand verbrennt, machte das lästige Putzen der Kerze (Kürzen des Dochtes) unnötig und Kerzen zu einer sauberen Beleuchtungsform.

Gasbeleuchtung ist hingegen eine wesentlich effektivere, aber auch gefährlichere Technik. 1815 gab es in London ein 42 km langes Gasnetz für Straßen und Zimmerbeleuchtung, in dem Leuchtgas als Brennstoff diente. Es wurde durch trockene Destillation von Steinkohle gewonnenen. Dabei entsteht ein Gemisch aus hauptsächlich Wasserstoff und Methan.

Da Gasbeleuchtung nicht gut für das Raumklima war und die Industrialisierung zudem neue Anforderungen an die Beleuchtungstechnik stellte, war die Zeit nun gekommen für eine neue Technologie, Schulen, Fabrikräume, Theaterbühnen, Straßen etc. ins rechte Licht zu rücken: Die elektrische Beleuchtung.

2. Thomas Alva Edison

3. Grundlagen der Beleuchtungstechnik - Die Strahlungsgesetze

Erwärmt man einen beliebigen Stoff durch Energiezufuhr von außen, so emittiert er elektromagnetische Strahlung.

Sowohl die gesamte abgegebene Strahlungsenergie als auch die Wellenlängenverteilung hängen von der Temperatur des Körpers ab. 

 
Stefan-Boltzmann-Gesetz

Das Gesetz von Stefan und Boltzmann ist unmittelbar einsichtig: Je heißer ein Körper ist, desto mehr Licht emittiert er. Dabei geht die Temperatur in der vierten Potenz ein. Eine angeschaltene Herdplatte erreicht eine Temperatur von 200 °C und wird leicht rot und die Heizdrähte eines Toasters zeigen mit ca. 700 °C deutlich Rotgluht. Aber wer wäre so töricht, beim Schein eines Toasters lesen zu wollen? Dazu wären Temperaturen von mindestens 2000 °C notwendig.

 
 Wien´sches Verschiebungsgesetz

Auch das Wien´sche Gesetz deckt sich mit unseren Erfahrungen: Je heißer ein Körper wird, desto mehr verlagert sich die abgegebene Strahlung vom Infrarot in den kürzerwelligen sichtbaren Bereich. So konnte auch die Temperatur der Sonne abgeschätzt werden: Das bei uns eintreffende Wellenlängenmaximum liegt bei 490 nm. Das Wien´sche Gesetz liefert damit eine Sonnentemperatur von etwa 6000 K.

Eine grundlegende theoretische Deutung dieser beiden experimentellen Befunde liefert schließlich das auf Erkenntnissen der Quantenmechanik beruhende Planck´sche Strahlungsgesetz.

Planck´sches Gesetz:

Der graphischen Darstellung des Planck´schen Strahlungsgesetzes können wichtige Informationen entnommen werden:

Aus diesen "physikalischen Fakten" ergeben sich wichtige Prinzipien für den Bau einer Glühlampe: Es muss eine möglichst hohe Glühfadentemperatur erzielt werden, damit möglichst viel sichtbares Licht emittiert werden kann. Gleichzeitig ist es unmöglich, im Bezug auf die Lichtausbeute im sichtbaren Bereich einen Wirkungsgrad von 100% zu erzielen, da immer mit erheblichen Verlusten im infraroten Spektralbereich, also als Wärmestrahlung zu rechnen ist.

4. Konstruktionsprinzipien für den Bau einer Glühlampe

Mit der Erkenntnis, dass eine möglichst hohe Glühfadentemperatur erzielt werden muss, beginnt die Suche nach einem geeigneten Material. Unten sind die Schmelzpunkte der fünf höchstschmelzenden Elemente aufgeführt sowie zum Vergleich die Schmelzpunkte von Eisen und Kupfer.

Doch leider ist der Schmelzpunkt neben der mechanischen Stabilität nicht das einzige Kriterium. Der Kohlefaden, wie ihn Edison verwendet hat, weist einen hohen Dampfdruck auf. Als Folge sublimiert der Kohlenstoff innerhalb kürzester Zeit und schwärzt den Lampenkolben. Die Lebensdauer einer Kohlefadenlampe bewegt sich daher nur im akzeptablen Bereich, solange die Temperatur unterhalb von etwa 2000 °C bleibt.

Die Verwendung hoch schmelzender Schwermetalle scheiterte lange Zeit an der sehr schwierigen Metallurgie dieser Stoffe.

Nachdem es im Jahre 1908 gelungen war, genügend dünne Fäden von Wolfram zu ziehen, verwendet man bis heute Osmium und vor allem Wolfram als Glühfadenmaterial, wie auch im Firmennamen OSmium-wolfRAM deutlich wird.

Mit der Entscheidung für einen Glühdraht, einer Stromzu- und -ableitung, Sockel und Halterung ist die Glühbirne damit fertig. Fehlt nur noch ein evakuierter Kolben, um die Oxidation des glühenden Drahtes zu verhindern.

5. Die Lebensdauer von Glühlampen

Folgende Grafik verdeutlicht das Problem der Lebensdauer von Glühlampen:

Lebensdauer und Lichtausbeute in einem verträglichen Maß zu halten, ist bezüglich der Betriebstemperatur ein Optimierungsproblem. Im folgenden werden die Faktoren zusammengefasst, die die Lebensdauer von Glühlampen begrenzen:

1. Jegliches Glühfadenmaterial hat einen Dampfdruck. Das sublimierende Material diffundiert durch den Raum und schlägt sich an der kältesten Stelle, der Kolbenwand, nieder.
   Maßnahme: Um die Kolbenschwärzung möglichst gering zu halten, macht man das Kolbenvolumen möglichst groß. Das verdampfende Material kann sich in einem größeren Raum sowie auf einer größeren Innenoberfläche des Glaskolbens verteilen.  Deswegen sind herkömmliche Glühbirnen so unverhältnismäßig "riesig".

2. Im Kolben befinden sich Restgase, v.a. Sauerstoff und Wasser, die mit dem Wolframdraht reagieren:

Als besonders fatal erweist sich dabei die Reaktion mit Wasser. Durch endotherme Reaktion an der heißen Glühwendel wird Wolfram oxidiert. Der dabei frei werdende Wasserstoff ist bei kälteren Temperaturen in der Lage, in exothermer Reaktion das Wolframoxid in Umkehrung der Bildungsreaktion zu reduzieren, so dass erneut Wasser zur Verfügung steht. Man nennt solche Reaktionen auch chemische Transportreaktionen, da Wolfram sukzessive als Oxid von der heißen Glühwendel zur Kolbenwand transportiert wird.

Maßnahme: Auf die Glühwendel werden in geringen Mengen Getter aufgebracht. Dabei handelt es sich z.B. um Natrium oder eine Paste mit rotem Phosphor. Beim erstmaligen Betrieb der Lampe verdampfen die Getter und reagieren in Gasphase mit Sauerstoff und Wasser zu stabilen Verbindungen und machen damit die Restgase unschädlich.

3. Die Verdampfung von Glühfadenmaterial kann in Grenzen gehalten werden, wenn man statt einem evakuierten Kolben einen mit Inertgas gefüllten verwendet. 

Dabei ergibt sich ein Problem: Durch das Einbringen von Gasen werden in der Lampe Wärmeleitung, Konvektionsbewegungen und damit Wärmeverlust möglich. Die Theorie sagt dazu, dass sich über dem Glühdraht eine ruhende Gasschicht befindet, die frei von Konvektionsbewegungen ist, die Langmuir-Schicht.

Ihre Dicke ist entscheidend für den Wärmeverlust, der sich nach folgender Faustformel abschätzen lässt:

Um den Wärmeverlust laut dieser Formel gering zu halten, wäre also ein möglichst kurzer, dicker Draht von Vorteil. Ein solcher könnte bei den gegebenen Betriebsspannungen aber nie zum Glühen gebracht werden (Es wären sehr hohe Stromstärken erforderlich).

Maßnahme: Man hat gefunden, dass sich bei einem gewendelten dünnen Glühdraht die Langmuirschichten überlappen und quasi eine Langmuirschicht für die ganze Wendel bilden. Die Folge ist, dass die Wärmeverluste einer Glühwendel mit bestimmtem Außendurchmesser denen eines ebenso dicken Glühdrahts entsprechen. Also nimmt man keinen einfachen Glühdraht sondern eine einfach oder doppelt gewendelte Spirale.

Die Wärmeleitfähigkeit des Füllgases ist zu dessen Molmasse umgekehrt proportional. Besonders schwere Gase sind daher hervorragend geeignet. Da aber Krypton und Xenon viel zu teuer wären, um sie in großem Maßstab in herkömmliche Glühlampen einzubringen, verwendet man normalerweise ein Gemisch aus Stickstoff und Argon.

6. Halogenglühlampen

Schon früh hat man festgestellt, dass der Zusatz geringer Mengen Halogen in der Lage ist, die Lebensdauer von Glühlampen bedeutend zu verlängern. Iod hat sich dabei als das geeignete Halogen erwiesen.

Man hat für die verlängerte Lebensdauer wieder chemische Transportreaktionen verantwortlich gemacht. Das auf dem Lampenkolben kondensierte Wolfram sollte in eine flüchtige Wolframverbindung überführt werden, die sich ihrerseits an der heißen Glühwendel unter Abscheidung von Wolfram wieder zersetzen sollte. Zu einer Schwärzung des Lampenkolbens sollte es dann nicht mehr kommen.

Zunächst war man also folgender Auffassung:

In exothermer Reaktion bildet sich Wolframiodid, welches als Transportgas dient. Doch heute weiß man, dass nicht Wolframiodid die Transportspezies ist. Da die Lebensdauer der Glühlampe nur verlängert wird, wenn auch Spuren von Sauerstoff vorhanden sind, kommt nur folgende Verbindung in Frage:

Die Wolframverbindung mit Iod und Sauerstoff wird am geschwärzten Lampenkolben in exothermer Reaktion gebildet. Sie sollte sich demnach in endothermer Reaktion an der heißesten, und damit dünnsten Stelle der Wolframwendel wieder zersetzen. Die Glühlampe würde sich sozusagen selbst "heilen".

Doch weit gefehlt! Diese Vorstellung ist falsch!!!

Da auch die Lebensdauer von Halogenglühlampen nicht unbegrenzt ist, muss man von noch einem anderen Prozess ausgehen:

Tatsächlich wird sich an der Kolbenwand niederschlagendes Wolfram in exothermer Reaktion in Wolframdioxiddiiodid überführt. Das Iod wirkt daher wie ein Schutzfilm für den Kolben und verhindert dessen Schwärzung. Doch WO₂I₂ diffundiert nicht unverändert zur Glühwendel sondern zersetzt sich unterwegs. In der obigen Abbildung entspricht dies dem Weg von rechts nach links.

Was schließlich noch an der Glühwendel ankommt, sind Wolfram- und Sauerstoffatome. Damit findet an der Glühwendel keine endotherme Rückreaktion statt (was ja an der heißesten und dünnsten Stelle wäre), sondern - wenn überhaupt - eine Kondensation von Wolframatomen an die Spirale.

Und das natürlich an der kältesten Stelle!

Konstruktionsprinzipien für Halogenglühlampen:

1. Um die exotherme Reaktion von kondensiertem Wolfram an der Kolbenwand ablaufen zu lassen, muss der Kolben eine bestimmte Mindesttemperatur haben (Aktivierungsenergie!). Das Volumen von Halogenglühlampen ist daher relativ klein gewählt, damit der Kolben durch die Glühwendel auf mindestens 600 °C miterhitzt wird.

2. Normales Glas reicht für diese Temperaturen nicht mehr aus. Man muss auf teureres Quarzglas umsteigen.

3. Weil man nun ein viel kleines Kolbenvolumen hat, werden Krypton und Xenon als schwere inerte Füllgase wieder wirtschaftlich.

7. Einige charakteristische Lichtgrößen

Der Lichtstrom F ist als eine Kenngröße für die "Gesamtstrahlkraft" der Lampe anzusehen. Fasst man eine bestimmte Raumrichtung (Raumwinkel, Steradiant) ins Auge, ist die Lichtstärke I von Bedeutung. 

Will man angeben, wie stark eine Fläche A beleuchtet wird, braucht man die Beleuchtungsstärke E.

8. Technische Daten

Es gibt heute natürlich nicht mehr nur Glüh- und Halogenglühlampen, sondern auch viele andere mit ganz anderen Lichterzeugungsprinzipien. Man könnte die Lampen folgendermaßen einteilen:

Um diese Lampentypen vergleichen zu können, seien hier einige technische Daten aufgeführt:

Auch, was die Sonne leistet, sei kurz wiedergegeben:

Frage: Wieviel Lux schafft eine Glühbirne größenordnungsmäßig? (Annahmen z.B. 60 W Leistung, Lichtausbeute 10 lm/W, Bezug auf 1 m²)

Obiges Bild soll v.a. die Formenvielfalt kommerzieller Lampen verdeutlichen. Während herkömmliche Glühlampen vor allem im Wohnbereich Verwendung finden (übrigens auch Halogenlampen, z. B. in Schreibtischlampen), haben Halogenlampen mit ihrer höheren Leuchtkraft schon einen breiteren Anwendungsbereich (z. B. für Projektionszwecke). Große Räume wie Klassenzimmer, Hörsäle und Fabrikhallen werden häufig mit Leuchtstofflampen versehen, als Straßenbeleuchtung kommen Entladungslampen in Frage.

Die Ansprüche an Beleuchtungstechnik sind sehr hoch geworden. Im der Metzgerei muss genauso auf eine ansprechende, die Kauflust steigernde Ausleuchtung der Waren geachtet werden, wie man sich auf dem Fußballplatz um entsprechendes Flutlicht bemüht. Eine Beschäftigung mit Beleuchtungstechnik im Alltag ist daher höchst interessant und profitabel.