Elektrisches Licht ist eine wichtige Grundlage für die Zivilisation. Die Lebensqualität in einer Gesellschaft hängt ganz wesentlich von der Verfügbarkeit künstlicher Lichtquellen ab. Sowohl in der Arbeitswelt, als auch im Freizeitbereich machen Lichtquellen den Menschen weitgehend unabhängig von Tages- und Jahreszeiten. Für die Beleuchtung von Straßen, Bahnhöfen und Sportstadien sowie für die Innenbeleuchtung von Hallen und Kaufhäusern benötigt man eine besonders hohe Leistung. Dazu dienen sogenannte Hochdruckentladungslampen (High-Intensity-Discharge, HID-Lampen), die auch in den kommenden Jahrzehnten die Hauptrolle spielen werden.

Optimierung von Hochdruckentladungslampen

Die HID-Lampen der heutigen Generation lassen bezüglich ihrer Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit noch zu wünschen übrig. Sie müssen mit Wechselströmen betrieben werden, um sowohl zu vermeiden, dass die Elektroden ungleich erodieren als auch, dass sich die verschiedenen Komponenten des Gasgemisches im Brenner der Lampe entmischen. Durch die periodische Anregung des Plasmas bilden sich innerhalb des Brenners Schallwellen. Diese werden an den Brennerwänden reflektiert, wodurch akustische Resonanzen angeregt werden. Diese Resonanzen wiederum sind die Ursache von Plasmainstabilitäten, wodurch die Lampen flackern und sich deren Lebensdauer verkürzt. Im Extremfall kann die Lampe sogar explodieren. Um Probleme dieser Art zu umgehen, betreibt man die Lampen bei bestimmten Frequenzen. Diese sind allerdings nicht optimal für die benötigten elektronischen Vorschaltgeräte. Dadurch sinkt der Lampenwirkungsgrad und es entstehen zusätzliche Kosten. Außerdem muss dem Brenner das Schwermetall Quecksilber zugefügt werden. Die mit diesem Stoff verbundenen Umwelt-und Gesundheitsrisiken sind hinlänglich bekannt. Für die nächste Generation von HID-Lichtquellen ist es darum dringend geboten, sie mit weniger aufwändigen Vorschaltgeräten und ohne Quecksilber betreiben zu können. Nur dann kann diese Technologie als energieeffizient und umweltverträglich gelten.

Ziele des Projektes

In dem Forschungsvorhaben sollen die Mechanismen, die zu Plasmainstabilitäten führen, identifiziert und systematisch untersucht werden. Dabei simulieren Wissenschaftler/innen die Vorgänge im Innern des Brenners der HID-Lampe mit Hilfe der Finite Elemente Methode (FEM). Und sie berücksichtigen vor allem die Effekte des sogenannten „Acoustic Streaming“. Erstmals untersuchen sie die hydrodynamische Stabilität des Strömungsfelds und führen begleitend experimentelle Untersuchungen durch. Um die Instabilitäten des Plasmas vollständig verstehen zu können, messen die Forscher/innen die Intensität der Lichtemission in Abhängigkeit der Modulationsfrequenz und des Modulationshubs. Zudem untersuchen sie Fluidströmungen im Brenner der HID-Lampen mit Hilfe der Laser-Doppler-Anemometrie. In Kooperation mit Philips Lighting werden dann neue Geometrien des Lampenbrenners realisiert. Diese sollen die Stärke der unerwünschten akustischen Resonanzen reduzieren und so einen stabilen Betrieb mit weniger aufwändigen elektronischen Vorschaltgeräten erlauben. Darüber hinaus soll untersucht werden, ob es mit Hilfe einer Entladungsbogen-Begradigung (das sogenannte „Arc-Straightening“) möglich ist, Lampenformen zu finden, die ohne Quecksilber betrieben werden können.

Die nächste Generation der HID-Lampen

Das Vorhaben mit der Laufzeit vom 01.10.2012 bis zum 30.04.2016 bietet die langfristige Perspektive, gemeinsam mit den Kooperationspartnern eine neue Generation von Hochdruckentladungslampen zu entwickeln und zu erproben, deren Energieeffizienz erheblich besser ist als die der heutigen Generation. Die neue Generation soll gleichzeitig ohne die Zugabe umweltgefährdender Bestandteile zur Lampenfüllung auskommen.

PM: Department Maschinenbau & Produktion an der HAW