Lichtzwerge groß im Kommen

DaimlerChrysler-Forscher arbeiten an der Lichttechnik von morgen. Leistungsstarke Leuchtdioden sollen in Frontscheinwerfern für besseres Licht und mehr Sicherheit sorgen. Auch ihr Einsatz in der Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation ist denkbar.
Für Rück- und Bremsleuchten bewähren sie sich schon seit einigen Jahren; in absehbarer Zeit dürften sie auch an der Fahrzeugfront und im Innenraum zur Standardausstattung neuer Pkw gehören: LEDs oder „Licht emittierende Dioden“ (Light Emitting Diodes) – kristalline Halbleiterverbindungen, die elektrischen Strom auf direktem Weg in Licht umwandeln und beim Einsatz im Fahrzeugbau eine Reihe von Vorzügen versprechen.
So brauchen sie dank ihres hohen Wirkungsgrads weniger Energie und reagieren wesentlich schneller als herkömmliche Glühlampen, sodass sie sich schlagartig an- und ausschalten lassen. Zudem benötigen sie weniger Platz, sind sehr langlebig und unempfindlich gegenüber Erschütterungen. „Das alles sind Eigenschaften, die die Leuchtdioden für den mobilen Einsatz geradezu prädestinieren, nachdem sich die Leistung von weißen LEDs allein zwischen 2004 und 2006 um 50 Prozent erhöht hat“, konstatiert Dirk Streichert, der bei der DaimlerChrysler-Forschung die Abteilung Gesamtfahrzeug, Interieur- und Exterieursysteme leitet.
Dass sich kleine Leuchtdioden nicht nur für Rück- und Bremsleuchten eignen, demonstriert DaimlerChrylser mit der aktuellen Mercedes-Benz E-Klasse sowie dem F 600 Hygenius, dem jüngsten Forschungsfahrzeug. In der E-Klasse werden LEDs für das Positionslicht und auch im Innenraum eingesetzt, wo sie zum Konzept der ambienten Beleuchtung beitragen (siehe: Mit Sicherheit wohlfühlen, S. 62/63). Im F 600 Hygenius kommen Leuchtdioden auch im Blinker und Scheinwerfer zum Einsatz.

Mehr Freiheit für Entwickler und Designer
Von LED-Scheinwerfern versprechen sich Fahrzeugentwickler und -designer viel. Da Leuchtdioden im Gegensatz zu Glühlampen ihr Licht nur nach vorne abstrahlen, benötigen sie eine geringere Bautiefe, was neue Gestaltungsspielräume für das Frontdesign künftiger Personenwagen eröffnet.
Experten rechnen damit, dass „weiße Multichip-LEDs“ bis in vier Jahren dieselbe Leistung erreichen wie heutige Xenon-Lampen und fortan ihre Vorzüge voll ausspielen können. Die Elektronik- Scheinwerfer können dann ein helles, tageslichtähnliches Licht erzeugen und lassen sich vielfältiger einsetzen als heutige Hightech-Scheinwerfer, die neben Abblend-, Fern- und Nebellicht auch über Kurven- und Abbiegelicht verfügen.
Weitere Vorteile kommen hinzu. LEDs brauchen – um etwa einen Kurvenverlauf auszuleuchten – keine aufwendige Mechanik, die den Scheinwerfer zur Seite schwenkt. Möglich wird der Verzicht auf Mechanik durch LED-Arrays: Das sind mehrere Hochleistungs-Leuchtdioden, die fest auf einer Platine installiert sind und von denen jede einzelne individuell angesteuert werden kann, um das Licht situationsgerecht zu verteilen.
Würde man alle Leuchtdioden gemeinsam einschalten, würden diese einen großen Bereich vor der Fahrzeugfront ausleuchten, was aber den Gegenverkehr und Fußgänger blenden würde. Daher schaltet man – je nach gewünschter Ausleuchtung – nur bestimmte LEDs an und erzielt so eine schnelle und punktgenaue Lichtverteilung auf der Fahrbahn. „Auf diese Weise werden sich alle erdenklichen Lichtfunktionen vom normalen Fahrlicht über Kurven- und Nebellicht bis zum Autobahnlicht rein auf elektronischem Weg realisieren lassen; bewegliche Bauteile, wie sie gegenwärtig für das aktive Kurvenlicht benötigt werden, sind dann nicht mehr erforderlich“, fasst Streichert zusammen. „Darüber hinaus lassen sich über LED-Arrays aber auch neue Funktionen realisieren, wie etwa eine situationsabhängige dynamische Lichtverteilung oder ein verbessertes Nachtsichtsystem.“
Diese neuartige dynamische Lichtverteilung wird es zukünftig erlauben, das Fernlicht bei Gegenverkehr kontinuierlich anzupassen. Möglich wird dies zum einen durch das sehr schnelle Ansprechverhalten der Leuchtdioden, zum anderen durch den Einsatz einer hinter der Windschutzscheibe installierten Kamera.
Sie erfasst entgegenkommende Fahrzeuge und berechnet mithilfe eines Computers kontinuierlich die Distanz zwischen dem eigenen Auto und dem Gegenverkehr. Diese Informationen nutzt dann das elektronische Steuergerät, um das Fernlicht bedarfsgerecht abzublenden. Auf diese Weise löst die Technik den Zielkonflikt zwischen vermiedener Blendung und größtmöglicher Sichtweite in jeder Fahrsituation.
Spezielle Leuchtdioden sollen in Zukunft auch die Leistungsfähigkeit des Nachtsicht-Assistenten noch weiter steigern. Dieses Assistenzsystem, das im vergangenen Jahr in der neuen S-Klasse Weltpremiere feierte, basiert bisher auf einem Infrarotscheinwerfer und einer Infrarotkamera.

Energiesparende Leuchtdioden als Tagfahrlicht
Von Leuchtdioden, die Infrarotlicht aussenden, erwarten Fachleute weitere Vorteile. „Die Infrarot-Leuchtdioden, die derzeit entwickelt werden, sind aufgrund ihrer Wellenlänge von 850 Nanometern noch besser an die Empfindlichkeit der Kamera angepasst als heutige Infrarotscheinwerfer. Dadurch kann sich die Reichweite des zukünftigen Nachtsicht-Assistenten um bis zu 50 Prozent vergrößern“, erläutert Jörg Moisel, Leiter des Fachgebiets Lichtinnovationen bei der DaimlerChrysler-Forschung. „Der so genannte Pulsbetrieb der Infrarot-LEDs ermöglicht zudem die blendfreie Begegnung zweier Fahrzeuge mit Nachtsicht-Assistenten.“
Dass sich die LED-Lichttechnologie in absehbarer Zukunft durchsetzen wird, steht für Experten außer Frage. In den USA zum Beispiel sind LED-Scheinwerfer für die Hauptlichtfunktion bereits zugelassen, in Europa wird damit bis zum Jahr 2008 gerechnet. Wenn in Deutschland ab 2010 ein Tagfahrlicht Pflicht werden wird, könnte dies einen enormen Schub für die robusten und energiesparenden Leuchtdioden bedeuten. Deren Leistungsbedarf wird bis in etwa drei Jahren nämlich um die Hälfte geringer sein als bei einer Glühlampe mit vergleichbarer Helligkeit.
Die Forscher von DaimlerChrysler befassen sich aber nicht nur mit technischen Herausforderungen. Sie untersuchen auch, wie gut LED-Scheinwerfer und die damit möglichen neuen Lichtfunktionen bei Kunden ankommen. Goetz Renner, der Leiter des Customer Research Center in Böblingen, analysiert mit seinem Team zum Beispiel, wie gut Testpersonen bei unterschiedlicher Ausleuchtung verschiedene Situationen auf der Straße erkennen und beurteilen.

Variable Ausleuchtung von Gefahren
„Dazu zeigen wir den Probanden im Sichtlabor realitätsnahe Verkehrssituationen mit unterschiedlichen nächtlichen Gefahrenszenen wie einen Fußgänger am Straßenrand oder ein Reh mitten auf der Fahrbahn. Die Testpersonen müssen sich dann per Knopfdruck so schnell wie möglich entscheiden, ob sie die Gefahr rechts, links oder in der Mitte der Szenerie wahrgenommen haben“, berichtet Renners Mitarbeiter Kai Geertsema.
Die Abbildungen, die Psychologe Geertsema für die Probanden mit einem realistischen Sichtwinkel an die Wand projiziert, zeigen auf einer dunklen Landstraße Gefahrensituationen, die neben dem normalen Abblendlicht von einem zusätzlichen LED-Spot unterschiedlich ausgeleuchtet wurden. Je nachdem, wie das tageslichtähnliche LED-Licht auf der Fahrbahn verteilt ist, erkennen diese „Testfahrer“ bestimmte Gefahren früher als andere.
Die Versuchsteilnehmer werden auch befragt, wie sie die zusätzliche Ausleuchtung subjektiv empfinden. „Diese Beurteilung fällt in der Regel positiv aus“, berichtet Geertsema, „wenn wir aber in bestimmten Beleuchtungssituationen bei den meisten Probanden eine außergewöhnlich lange Reaktionszeit messen, ist dies ein Hinweis, dass diese Ausleuchtung nicht optimal war.“
Die Suche nach dem optimalen Licht hat für die Forscher und Entwickler einen direkten Bezug zur Unfallvermeidung: In Deutschland passieren nachts und in der Dämmerung 42 Prozent aller tödlichen Unfälle und 27 Prozent der schweren Unfälle mit Personenschaden, obwohl das Verkehrsaufkommen deutlich geringer ist als tagsüber. Mehr Sicherheit versprechen sich die Ingenieure auch von LED-Hecklichtern. Als Rück- und Bremsleuchten bewähren sich Leuchtdioden schon seit einigen Jahren. LED-Bremslichter erreichen ihre volle Helligkeit rund 150 Millisekunden früher als Glühlampen – ein kleiner Zeitgewinn, der einen großen Sicherheitsvorteil bedeutet: Tests im Berliner Fahrsimulator von DaimlerChrysler zeigten, dass sich der Anhalteweg bei Tempo 130 um rund 15 Meter verkürzt, wenn Autofahrer durch LED-Bremslichter schneller gewarnt werden und deshalb früher reagieren können.
„In Zukunft könnten LED-Bremslichter zusätzliche Aufgaben übernehmen, die weit über die eigentliche Lichtfunktion hinausgehen“, so Arnulf Frisch, als Teamleiter für Innovationen im Bereich Exterieur-Beleuchtung bei der DaimlerChrysler-Forschung zuständig. Die Ingenieure wollen die schnellen Lichtsignale zum Beispiel nutzen, um gleichzeitig auch Daten von einem Fahrzeug zum nachfolgenden zu übertragen. So können die Lichtimpulse der LED-Bremsleuchten Informationen über die tatsächliche Bremsverzögerung des Autos enthalten. Diese Daten kann ein Sensor im nachfolgenden Fahrzeug empfangen und an den Bremsassistenten weiterleiten, der dann den Bremsdruck situationsgerecht einstellt.

Licht für ein ganzes Autoleben
Erste Tests der DaimlerChrysler-Forschung mit der neuartigen „Car-to-Car-Communications“ zeigten, wie schnell und leistungsstark die LED-Bremslichter sind: Der Datentransfer via Licht ermöglicht es, pro Sekunde acht Megabit bis zu 130 Meter weit zu übertragen. Frisch: „Damit eröffnet die LED-Technik neue Möglichkeiten, um Auffahrunfälle zu vermeiden.“
Ein weiterer Vorteil von LEDs am Heck: Die Leuchtdioden sind praktisch ausfallsicher, weil sie nicht durchbrennen wie eine Glühlampe. Wenn aber Rück- und Bremslichter sowie Blinker und Nebelschlussleuchten immer funktionieren, ist das Auto bei Nacht und Nebel von nachfolgenden Fahrern stets zu erkennen – auch dies bedeutet mehr Sicherheit.
Dem Fahrzeugbesitzer verschaffen Leuchtdioden zudem ein Stück Bequemlichkeit. LEDs haben eine Lebensdauer zwischen 10000 und 20000 Betriebsstunden; sie übertreffen damit in der Regel die durchschnittliche „Lebenserwartung“ des Fahrzeugs. Das Wechseln von „Glühbirnen“ wird in Zukunft also obsolet – LEDs halten ein Autoleben lang.

> Nacht und Nebel ins rechte Licht gesetzt

Welche neuen Lichtfunktionen heute möglich sind, zeigt das Intelligent Light System (ILS) in der E-Klasse von Mercedes-Benz. In den beiden Hightech-Scheinwerfern des ILS kommen Gasentladungslampen – also keine LEDs – zum Einsatz. Ein ausgeklügeltes System aus optischen Linsen und elektromechanischen Walzen verändert die Verteilung ihres Lichtstrahls. Dadurch lassen sich – auch für den Linksverkehr – fünf verschiedene Lichtfunktionen ausüben, die auf typische Fahr- und Wettersituationen abgestimmt sind.

Das „Landstraßenlicht“ entspricht dem konventionellen Abblendlicht, leuchtet aber insbesondere den linken Fahrbahnrand weiträumiger aus und erhöht dort die Sichtweite um zehn Meter. Schon diese Verbesserung bedeutet ein deutliches Plus an Sicherheit. Zusammen mit den anderen vier Lichtfunktionen trägt sie dazu bei, das hohe Unfallrisiko bei Nachtfahrten zu senken.

Das „Autobahnlicht“ vergrößert die Sichtweite um bis zu 60 Prozent im Vergleich zum herkömmlichen Abblendlicht. Eine automatische Zweistufenschaltung erhöht ab einer Geschwindigkeit von 90 km/h die Leistung der Xenon-Lampen von 35 auf 38 Watt. Ab Tempo 110 wird die Reichweite der Scheinwerfer so vergrößert, dass die gesamte Fahrbahnbreite bis auf eine Entfernung von rund 120 Metern ausgeleuchtet ist.

Das „erweiterte Nebellicht“ erhellt die innere Fahrbahnhälfte besser und reduziert die Eigenblendung bei Nebel und Schneetreiben. Erreicht wird dies durch das Schwenken des Scheinwerfers auf der Fahrerseite um acht Grad nach außen und das gleichzeitige Senken des Lichtkegels nach unten. Das neue Licht aktiviert sich automatisch, wenn die Nebelschlussleuchte eingeschaltet wird und die E-Klasse nicht schneller als 70 km/h fährt. Bei mehr als Tempo 100 schaltet sich das erweiterte Nebellicht automatisch ab.

Das „aktive Kurvenlicht“ hat Mercedes-Benz bereits 2003 eingeführt und für die neue E-Klasse weiter verbessert. Mit ihm erhöht sich die Fahrbahnausleuchtung um 90 Prozent; in Kurven mit einem Radius von 190 Metern wächst die Sichtweite um 25 Meter. Möglich wird dies durch einen auf 15 Grad vergrößerten Schwenkbereich der Scheinwerfer, deren Bewegung von der Geschwindigkeit, dem Lenkradwinkel und der Gierrate abhängt. Das aktive Kurvenlicht arbeitet im Landstraßen- und im Autobahnlichtmodus.

Das „Abbiegelicht“, das Mercedes-Benz seit 2004 anbietet, hat eine zusätzliche seitliche Reichweite von rund 30 Metern, sodass an Kreuzungen und Einmündungen nun auch Bereiche ausgeleuchtet werden, die sonst im Dunkeln bleiben. Das Abbiegelicht schaltet sich automatisch zu, wenn die Hauptscheinwerfer leuchten und der Fahrer unterhalb von 40 km/h den Blinker betätigt oder das Lenkrad einschlägt.


Mit Sicherheit wohlfühlen
„Ambiente Innenraumbeleuchtung“ verbessert bei Nachtfahrten die Wahrnehmungs- und Bediensicherheit

Licht macht Laune – wo es völlig fehlt, lassen die Stimmung und die Leistungsbereitschaft rasch nach. Deshalb kann das richtige Licht im Auto zur Fahrsicherheit beitragen.

Die Zirbeldrüse im Gehirn des Menschen ist kaum größer als eine Erbse – und hat trotzdem eine enorme Macht über den Menschen. Im Dunkeln bildet sie das Schlafhormon Melatonin und macht ihren Besitzer müde und schläfrig. Ein natürlicher Mechanismus, der dafür sorgt, dass der Körper nachts zur Ruhe kommt und sich erholen kann. Kritisch wird es, wenn man bei Dunkelheit aufmerksam bleiben muss, sei es beim Nachtdienst oder bei einer Autofahrt im Dunkeln. Die Melatoninkonzentration im Blut liegt tagsüber ständig unter einem Wert von 0,05 Nanomol; ab etwa 21 Uhr steigt sie steil an und erreicht gegen drei Uhr nachts mit dem Vierfachen ihren Höhepunkt.
„Nicht zuletzt deshalb ist die Unfallschwere bei Einschlafunfällen besonders hoch“, sagt Goetz Renner, der bei der DaimlerChrysler-Forschung das Customer Research Center in Böblingen leitet. Der Psychologe und sein Team beschäftigen sich unter anderem damit, wie sich durch ein intelligentes Lichtkonzept im Fahrzeuginnenraum das Wohlbefinden und die Aufmerksamkeit des Fahrers positiv beeinflussen lassen.
Dass Licht nicht nur der Beleuchtung dient, sondern Menschen auch psychisch und biologisch aktiviert und ihr Leistungsvermögen steigert, ist unter Ergonomen und Psychologen unumstritten. Für die Innenbeleuchtung im Automobil müssen die Lichtstärken zwar weitaus geringer sein als in Büros oder Werkhallen. Trotzdem gilt auch hier: Wenn das Licht völlig fehlt, lassen Stimmung und Leistungsbereitschaft rasch nach. „Deshalb wollen wir mit dem in der E-Klasse verwirklichten Konzept der ambienten Innenraumbeleuchtung zum Wohlbefinden des Fahrers und der Fahrgäste beitragen und zugleich einen Beitrag zur Bedien- und Verkehrssicherheit leisten“, erläutert Renner.

Angenehmes Raumgefühl durch gekonnte Lichtmischung
Die ambiente Innenraumbeleuchtung stellt einen Mix aus diffusem, breit gestreutem und punktgenauem Licht dar. Ausgestrahlt wird dieses Licht von herkömmlichen Lampen, aber auch von Leuchtdioden (LEDs). „Die E-Klasse“, so der Psychologe, „ist in ihrem Marktsegment das einzige Automobil mit einem so aufwendigen und bis ins Detail durchdachten Beleuchtungskonzept für den Innenraum.“
Dazu gehören nicht nur die indirekte Beleuchtung aller wichtigen Schalter und Bedienelemente sowie die Leuchtdioden in den Türgriffmulden und den Fußräumen, sondern auch spezielle Leuchtflächen. Diese umschließen die vordere und hintere Dachbedieneinheit und sorgen während nächtlicher Fahrten für eine besonders angenehme Lichtstimmung. Auch die Leuchtdiode im Innenspiegel ist Bestandteil der ambienten Beleuchtung; sie strahlt auf die Schalter in der Mittelkonsole.
Das diffuse Licht ist für den vorderen Bereich in fünf Stufen dimmbar. Die Helligkeit der hinteren Innenraumbeleuchtung können die Fondpassagiere durch zwei Taster in der Dachbedieneinheit wählen. Alles in allem taucht die ambiente Beleuchtung den Innenraum in ein dezentes und blendfreies, aber dennoch wirkungsvolles Licht. „Das angenehme Raumgefühl und die hohe Wertanmutung des Interieurs sind damit auch bei Nachtfahrten erlebbar“, unterstreicht Goetz Renner.
Das raffinierte Lichtkonzept der E-Klasse dient in großem Umfang auch der Sicherheit. Bei Dunkelheit bietet es eine sehr gute Orientierung im Innenraum, weil Fahrer und Beifahrer die Schalter- und Bedienelemente in der Mittelkonsole deutlich erkennen können.
Schließlich unterstützt ein angenehmes „visuelles Raumklima“ auch die Konditionssicherheit, die für die DaimlerChrysler-Forscher besondere Bedeutung hat. Renner erläutert dies so: „Das Ziel hoher Konditionssicherheit wird erreicht, wenn die Technik eines Automobils so perfekt ist, dass sie den Autofahrer entlastet und seine Leistungsfähigkeit erhält oder teilweise sogar anhebt. Dann kann er sich besser auf das Verkehrsgeschehen konzentrieren und bleibt fit, um in kritischen Situationen sicher und souverän zu handeln.“