Lichttechnik: Der Klügere blendet aus

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Als Gottlieb Daimler 1886 das erste Kraftfahrzeug vorstellte, spielten Scheinwerfer nach heutigem Vorbild noch keine Rolle. Das sollte sich erst mit zunehmendem Verkehr auf unseren Straßen ändern. Halogen-, Xenon-, LED- und Laserlicht revolutionierten die Fahrzeugindustrie. Künftig könnten Autos mit Licht sogar kommunizieren.

Fest das Lenkrad im Griff, den Blick konzentriert durch die Windschutzscheibe gerichtet, fahren wir mit gemäßigter Geschwindigkeit durch die Nacht. Der schmale Lichtkegel der gelb leuchtenden Scheinwerfer erfasst Bäume und Sträucher neben der Fahrbahn und manchmal auch die reflektierenden Augen eines vorwitzigen Hasens am Straßenrand. Ein Regenschauer überzieht die Fahrbahn mit einem trüben Vorhang langer Fäden. Plötzlich steht da dieses Reh, nur noch wenige Meter entfernt ...

Diese und ähnliche Schreckmomente haben schon viele Autofahrer erlebt. Ob Wild, dunkel gekleidete Fußgänger, Rad- oder Rollerfahrer – es gibt viele Möglichkeiten in der dunklen Stadt, auf der Landstraße oder Autobahn Wild oder andere Verkehrsteilnehmer zu übersehen. Widrige Wetterbedingungen verstärken noch die Situation: „Durch die nasse Fahrbahn wird zum einen der Sichtbereich des Fahrers stark eingegrenzt und zum anderen so viel Licht von der Straße wegreflektiert, dass es zu einer erhöhten Blendung anderer Verkehrsteilnehmer kommen kann“, erklärt Dr.-Ing. Jonas Kobbert von der Technischen Universität Darmstadt, Fachbereich Lichttechnik. Und das führt nicht selten zu Stress und in der Spitze zu folgenschweren Unfällen.

Landstraßen besonders gefährlich

So registrierte das Statistische Bundesamt im vergangenen Jahr von insgesamt 2.636.468 polizeilich erfassten Unfällen auf deutschen Straßen 56.843 bei Dunkelheit und 15.744 in der Dämmerung. In der Gesamtbetrachtung entspricht das knapp drei Prozent. Klingt wenig finden Sie? Umso besorgniserregender wird es aber mit Blick auf die Statistik der tödlich Verunglückten. Von 3.275 Getöteten starb ein Drittel nach Sonnenuntergang. Wie die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) darüber hinaus herausfand, werden nachts fünfmal so viele Fußgänger auf Landstraßen getötet wie tagsüber, dabei sind Landstraßen nachts gegenüber anderen Straßenkategorien nur zu 20 Prozent frequentiert. Mit 40 Prozent der tödlich Verunglückten bei Dunkelheit übernehmen sie allerdings die unrühmliche Rolle des Spitzenreiters aller Straßenkategorien!

Natürlich sind nicht alle Unfälle auf unzureichende Sicht- und Lichtverhältnisse zurückzuführen, auch Alkohol, überhöhte Geschwindigkeit oder Leichtsinn sind als Auslöser hinreichend bekannt. Dennoch ließen sich viele gefährliche Situationen, besonders außerorts, mit modernen Scheinwerfersystemen möglicherweise verhindern. Doch was bezeichnen wir heute als moderne Scheinwerfer?

Halogen revolutioniert

Dazu gehört bestimmt nicht mehr die romantisch anmutende Kerze aus der Laterne des Opel-Patentmotorwagens aus dem Jahr 1899. Und auch die von Osram entwickelte und 1925 vorgestellte Bilux-Lampe mit zwei Glühfäden für Abblend- und Fernlicht führte zwar bei Modellen wie dem Mercedes-Benz 540 K zu einer deutlichen Verbesserung der Fahrbahnausleuchtung, aber sicher nicht zu einer lichttechnischen Revolution, wie wir sie heutzutage erleben. Die brachte in den Sechzigern erst die Halogentechnik erstmals mit sich. 1962 als H1-Zusatzscheinwerfer von Hella entwickelt, sorgte die H4-Zweifaden-Halogenlampe ab 1971 für mehr Licht im Dunkel bei VW Käfer & Co. Selbst wenn Halogen verglichen mit Xenon, LED oder Laser heute schon wieder etwas antiquiert anmutet, setzen selbst deutsche Hersteller wie BMW, Mercedes oder VW aus Kostengründen in der Grundausstattung bei einigen Modellen immer noch darauf. Aber es geht besser.

Ab 1991 bot BMW als erster Hersteller im Siebener-Oberklasse-Modell Xenonlicht optional an. Statt eines Glühwendels enthalten Xenon-Lampen zwei Elektroden, zwischen denen sich ein Lichtbogen durch Gasentladung entwickelt. Metallsalze und Zusätze bilden ein leuchtendes Dampfgebilde, das zusätzliches Licht spendet. Gegenüber Halogenscheinwerfern punktet Xenon mit einer doppelt so hohen Helligkeit bei geringerem Energieverbrauch, einer automatischen und dynamischen Regulierung der Leuchtweite unabhängig von der Beladung des Wagens, einer besseren Lichtverteilung nach vorne und zur Seite sowie einer höheren Leuchtreichweite. Pro Autoleben soll zudem nur ein einziger Tausch des Leuchtmittels anstehen. Nach einfachen Xenon-Brennern im Abblendlicht kam ab 2001 in höherwertigen Fahrzeugmodellen auch Bi-Xenonlicht zum Einsatz, bei dem neben dem Abblendlicht auch das Fernlicht weithin strahlt. Zudem ließen sich im Xenonlicht mit aktivem Kurven- und Abbiegelicht sowie des Fernlichtassistenten auch weiterführende Lichtfunktionen integrieren.

Bis heute fühlen sich viele Autofahrer von dem ungewohnt weißen Xenonlicht geblendet. Das hat mehrere Gründe: So erzeugen verschmutzte Xenon-Lampen Streulicht, die den Gegenverkehr blenden können. Auch reagiert die automatische und dynamische Reichweitenregulierung beim Beschleunigen gelegentlich zu spät. Einige Werkstätten verwenden zudem noch analoge statt kameratechnisch basierende Scheinwerfereinstellgeräte. Ungenauigkeiten führen dabei leicht zu falschen Einstellungen. Gründe für die Blendung anderer Verkehrsteilnehmer gibt es also einige, doch wie reagiert der Mensch?    

Auge reagiert langsam

Die Iris des Auges ist in der Dunkelheit generell weit geöffnet. Stoffwechselprozesse in der Netzhaut laufen bei geringer Lichteinstrahlung langsamer ab. Ein plötzlich auftreffender Lichtimpuls überfordert die Sehrezeptoren in der Netzhaut; sie benötigen zur Reaktivierung Vitamin A. Bis das durch den Stoffwechsel wieder ausreichend zur Verfügung steht, vergehen rund 30 Sekunden. In dieser Phase kann der Autofahrer seine Umgebung schlechter wahrnehmen. Allerdings ist diese Blendwirkung nicht alleine nur Xenonlicht zuzuschreiben, sie kann auch durch LED-Scheinwerfer auftreten.  

LED fast wie Tageslicht

LED-Licht wurde 2006 erstmals im Sportwagen Audi R8 vorgestellt. LED sind Licht emittierende Dioden und werden bei Pkw beispielsweise im Innenraum sowie in Blinkern, Tagfahrlicht, Rückleuchten und als Leuchtmittel in Frontscheinwerfern verwendet. Laut der Deutschen Automobil Treuhand (DAT) waren 2018 schon 30 Prozent aller Pkw-Neuwagen mit LED-Scheinwerfern ausgestattet, demgegenüber nur noch 21 Prozent mit Xenonlicht. Von der Oberklasse aus ist die helle LED auch im Kleinwagen angekommen.

Was bedeutet in dem Zusammenhang Helligkeit und wie ist sie messbar? Das geschieht mit Hilfe der Farbtemperatur in der Maßeinheit Kelvin. Diese bestimmt die Lichtfarbe und ist im Straßenverkehr dafür verantwortlich, wie Verkehrsteilnehmer Licht wahrnehmen. LED-Licht hat eine Farbtemperatur von etwa 5.500 Kelvin und entspricht beinahe Tageslicht. Xenon hat 4.400 und gelblich leuchtendes Halogen nur 2.800 Kelvin. Aus Sicht des Fahrers wird das weiße, in den Randbereichen bläulich schimmernde LED-Licht auf der Straße im Nah- und Fernbereich von den Augen als angenehm und nahezu ermüdungsfrei empfunden. Neben einer höheren Lichtausbeute geht es bei LED aber nicht nur um mehr Reichweite, da diese beim Abblendlicht sowieso gesetzlich auf bis zu 70 Meter und beim Fernlicht auf maximal 650 Meter limitiert ist.

Viel interessanter sind zahlreiche Funktionen, die sich mit bisherigen Scheinwerfersystemen nicht umsetzen lassen. Dafür ist ein tieferer Blick in die Technik nötig. Statt wie bisher mechanisch, werden sogenannte LED-Matrixscheinwerfer softwarebasiert mit Hilfe von Sensoren und Kameras gesteuert. Diese modernen Scheinwerfer erlauben eine flexible und variable Lichtverteilung im gesamten Ausleuchtbereich des Abblend- und Fernlichts.     

Dauerfernlicht möglich

Bei Mercedes-Benz etwa berechnen Steuergeräte aus den Daten der Kamera 100 Mal pro Sekunde die ideale Lichtverteilung und aktivieren jeweils 84 Leuchtdioden pro Scheinwerfer. Durch stufenloses Abdimmen einzelner Lichtpunkte können vorausfahrende oder entgegenkommende Fahrzeuge gezielt ausgeblendet werden. Großteile des Fernlichts bleiben dabei weiterhin eingeschaltet. Die Segmentierung erlaubt nicht nur eine höhere Nutzung des Fernlichts, das laut Lichttechnik-Experte Dr. Jonas Kobbert bislang viel zu selten im Straßenverkehr verwendet wird, sondern auch eine spezifische Lichtverteilung für verschiedene Situationen. Wie etwa das Stadtlicht. Bei der Fahrt durch die City schaltet das Fernlicht unterhalb von 50 km/h automatisch ab und verbreitert den Lichtkegel. Dadurch sind Fußgänger und Radfahrer im Nahbereich besser erkennbar. Auf der Landstraße wird die Fahrbahn zwischen 70 und 120 km/h weiträumiger ausgestrahlt. Auf der Autobahn kanalisiert und verlängert sich der Lichtkegel von etwa 65 auf 110 Meter, um weiter entfernte Fahrzeuge oder Gefahren schneller erfassen zu können.

Ist Ihnen übrigens schon mal aufgefallen, dass bei der Verwendung von LED-Scheinwerfern die Nebelleuchten entfallen? Dafür gibt es das Schlechtwetterlicht. Dieses schaltet sich automatisch über den Regensensor bei beginnendem Niederschlag ein und leuchtet den linken Fahrbahnbereich besser aus. Reflexionen des Lichts lassen sich softwarebasiert abdimmen, indem die Beleuchtungsstärke in diesem Bereich reduziert wird. Ähnlich funktioniert das auch bei reflektierenden Verkehrsschildern über der Autobahn oder am Straßenrand.

Neben LED-Licht hat Audi im Jahr 2014 kurz vor BMW noch eine weitere Innovation vorgestellt: Die Matrix-Lasertechnik im Sportwagen Audi R8 LMX. Bei dieser Lichttechnik sorgt ein Laserspot im Scheinwerfer für eine maximale Leuchtreichweite (bis zu 650 Meter). Während das Licht die Fahrbahn bei geringen Geschwindigkeiten sehr breit ausleuchtet, verkleinert sich der Öffnungswinkel bei hohen Geschwindigkeiten, es leuchtet weit entfernte Punkte intensiver aus.    

Im Austausch teuer

Nun haben wir einiges über vergangene und aktuelle Scheinwerfertechnologien erfahren. Bevor wir uns der Zukunft zuwenden, soll der Kostenaspekt bei Neu- und Gebrauchtwagen aber nicht unerwähnt bleiben. Dafür haben wir einen Blick in die Preisliste des VW Golf VII geworfen und in Zusammenarbeit mit der DAT exemplarisch Ersatzteilpreise beim Austausch eines Scheinwerfers in Werkstätten errechnet. Günstig geht es mit Halogen zu. Serienmäßig im Neukauf, kostet ein originaler Halogenscheinwerfer in der Werkstatt 226 Euro. Preiswert auch der Einbau: 70 Euro zuzüglich Mehrwertsteuer veranschlagt die DAT. Bei LED sieht es schon anders aus. 1.085 Euro Aufpreis verlangt VW für beide Scheinwerfer. 1.167 Euro errechnet die DAT für einen Tauschscheinwerfer, die Komplexität schlägt sich bei angenommenen 150 Euro auch in den Lohnkosten nieder. Das etwas ältere Xenonlicht ist beim neuen Golf nicht mehr bestellbar. Mit 866 Euro für den einfachen Xenon-Brenner plus 150 Euro Einbaukosten ist die Technik etwas günstiger als LED, doch mit weiteren Funktionen wie Kurvenlicht schlägt der Ersatzteilpreis mit 1.342 Euro hart ins Kontor. Auch hier könnte die Komplexität der einzelnen Teile die angenommenen Einbaukosten (150 Euro) pro Stück noch in die Höhe treiben.

Auch wenn die Zubehör- und Ersatzteilpreise für LED-Scheinwerfer im Massenmarkt fallen, dürften künftige Entwicklungen Neufahrzeugpreise in die Höhe treiben. Und das hat Gründe: Mehr als nur Licht bietet etwa die 2018 vorgestellte Mercedes-Maybach-S-Klasse mit so genanntem Digital Light. Jeder Scheinwerfer hat eine Auflösung von über einer Million Pixeln und kann damit unter anderem Symbole in hochauflösender Qualität auf die Straße projizieren. Statt Warnungen im Cockpit erhält der Fahrer im unmittelbaren Blickfeld Hinweise auf die Straße eingeblendet. In einem späteren Schritt wäre es auch möglich, mit dem Umfeld zu kommunizieren. Das bislang nur in arabischen Ländern zum Einsatz kommende Licht projiziert in Autobahnbaustellen Fahrstreifen auf die Straße, die der Gesamtbreite des Autos entsprechen. Auch Symbole mit Warnungen vor Tempolimits, Baustellen oder Glätte seien möglich.

VW hat einen optischen Heck-Parkassistenten entwickelt, bei dem Passanten mit leuchtenden Hinweisen aus tausend Mikrolinsen vor dem rückwärtsfahrenden Auto gewarnt werden. Das ist in Deutschland noch Zukunftsmusik. Unsere Gesetze lassen individuelle Symbole durch Lichttechnik noch nicht zu. Doch spätestens das vollautomatisierte Auto wird irgendwann mit anderen Verkehrsteilnehmern per Licht kommunizieren müssen.

In der Anfangszeit der motorisierten Kutschen, wie dem Opel-Patentmotorwagen, genügte es, gesehen zu werden. Foto: Opel
Im Angesicht moderner LED-Technik, mutet das Abblendlicht aus dem Opel Kapitän (Baujahr 1938) wie eine dunkle Höhle an. Foto: Opel
Im Vergleich modernes Matrix-LED-Licht im Opel Astra (Baujahr 2019). Foto: Opel
Lichtentwicklung bei Ford:Verglichen mit der Halogentechnik (links) sind bei LED-Scheinwerfern (rechts) neben einer helleren Fahrbahnausleuchtung auch zusätzliche Lichtfunktionen möglich. Foto: Ford
Durch stufenloses Abdimmen einzelner Lichtpunkte im Scheinwerfer können vorausfahrende oder entgegenkommende Fahrzeuge im LED-Dauerfernlicht gezielt ausgeblendet werden. Foto: BMW
Die Kelvin-Zahl bezeichnet die Lichtfarbe. Geringe Werte stehen für gelbliches, hohe Werte für weiß-bläuliches Licht. Foto: Daimler
LED benötigen nur geringen Bauraum und ermöglichen neue Designformen sowie markentypische Designmerkmale des Herstellers. Foto: Audi
Gesetzlich ist die Reichweite des Abblendlichts auf bis zu 70 Meter limitiert. LED- und Laserfernlicht darf bis zu 650 Meter weit strahlen. Foto: Audi
Im neuen VW Touareg werden Fußgänger, Radfahrer oder Wildtiere nicht nur vom Nachtsicht-Assistenten erkannt, sondern auch zur besseren Erkennbarkeit angeblitzt. Foto: VW
Voll-LED-Matrix-Scheinwerfer sind optional im neuen Opel Corsa sogar erstmals in der Kleinwagenklasse erhältlich. Foto: Opel
Mit dem sogenannten Digital Light aus der Mercedes-Maybach-S-Klasse können mittels der Frontscheinwerfer Symbole auf die Straße projiziert werden. Foto: Daimler
Volkswagen hat einen optischen Parkassistenten entwickelt, der andere Verkehrsteilnehmer vor dem Rückwärtsfahren warnt. Foto: VW
Die Breite des eigenen Fahrzeugs lässt sich mit hochauflösender Scheinwerfertechnik etwa in Baustellen anzeigen. Foto: Daimler
In der Zukunft könnten vollautomatisierte Fahrzeuge über hochauflösende Lichtsignale mit anderen Verkehrsteilnehmern wie Fußgängern oder Radfahrern kommunizieren. Foto: Jaguar Land Rover
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