Ist LED-Beleuchtung effizienter als die Glühlampenbeleuchtung? Eine physiologische Betrachtung

Die Effizienz von Lichtquellen wird sinnvollerweise daran gemessen, welchen Gegenwert man für die Energie erhält, die man in die Lampe steckt. Die Größe, die man hierzu heranzieht, ist üblicherweise die Lichtausbeute in Lumen/Watt. Lumen ist die Einheit des Lichtstroms, den ein Leuchtmittel erzeugt. Dieser gilt als die erwünschte Nutzwirkung.

Die Rechnung geht dann ohne Einschränkung auf, wenn das so berechnete Licht für die erzeugte Sehleistung allein maßgeblich ist. Man nimmt im Allgemeinen an, das sei der Fall, weil der Lichtstrom auf der Basis der Definition von Licht nach CIE (V(λ)-Kurve) erfolgt, die alle Strahlung berücksichtigt, die eine Sehempfindung hervorruft. Die hier besprochene Beziehung ist die Grundlage für den Handel mit Licht und Lichtprodukten.

Während die Glühlampe als sehr ineffizient galt und deswegen von der EU verboten wurde, wurde die LED-Technologie insbesondere wegen der Energieeffizienz gefördert. Der Unterschied ist immens. Während die Allgebrauchsglühlampe etwa bei 15 lm/W lag, erreichen weiße LEDs mittlerweile Werte bei 140 lm/W.

Die wahre Rechnung wäre, wenn man die durch die Beleuchtung erzeugte Sehleistung dem Energieverbrauch gegenüberstellen würde. Dies ist allein deswegen nicht möglich, weil es keine vernünftige Definition von Sehleistung gibt. (mehr dazu z.B. hier Vom Elend, ein Lichtplaner in Deutschland zu sein oder da Halbe oder doppelte Beleuchtungsstärke bei Tageslicht?) Welche Definition man auch heranziehen mag, eine der wichtigsten Leistungen des Auges, Farben zu erkennen, gehört nicht zur Sehleistung.

Woher kommt der Effizienzunterschied zwischen Leuchtmitteln

Da ein Leuchtmittel weder Energie erzeugen noch vernichten kann, strahlt es alle Energie, die man in sie hineinsteckt, wieder ab. Dies kann bei Stralungsquellen, die zur Lichterzeugung verwendet werden, in drei Bereichen erfolgen: Wellenlänge < 380 nm (UV) , 380 nm – 780 nm (Licht) und über 780 nm (IR). Der gesamte Bereich wird optische Strahlung genannt, weil man sie mit optischen Instrumenten messen kann.

LEDs kann man so bauen, dass ihre gesamte Strahlung als Licht erzeugt wird. Daher die große Effizienz. Die allergrößte Effizienz würde eine LED erreichen, die alles Licht bei 555 nm abstrahlt. Allerdings kann man mit diesem Licht keine Beleuchtung betreiben. Deswegen erfolgt die Effizienzbetrachtung nur für weißes Licht.

Schwachstelle der Betrachtungsweise

Die Schwachstelle dieser allgemein üblichen Betrachtungsweise sehen Forschende darin, dass die Hellempfindung nicht den gesamten Sehvorgang erfasst. Sie gehen davon aus, dass sich das menschliche Leben unter einer Strahlung mit Wellenlängen von 300 nm bis 2500 nm entwickelt hat. Hingegen würden die LED-Beleuchtungen sich auf den Bereich von 380 bis 650 nm beschränken. Daher wäre die Lichtausbeute nur scheinbar hoch.

In Nature wurde in Januar eine Studie von E. M. Barrett und G. Jeffrey veröffentlicht, die nachweist, dass die LED-Beleuchtung mit diesem schmalen Frequenzband die Sehleistung gegenüber Sonnenlicht verschlechtert.

Barrett, E.M., Jeffery, G. LED lighting (350-650nm) undermines human visual performance unless supplemented by wider spectra (400-1500nm+) like daylight. Sci Rep 16, 3061 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35389-6

Ergebnis der Nature-Studie)

Nachfolgend die Kurzfassung der Autoren übersetzt durch deepl (Absätze von mir eingefügt, um das Lesen zu erleichtern.. Die benutzten Daten können bei Glenn Jefffrey mit einer Begründung abgerufen werden: g.jeffery@ucl.ac.uk

Das Leben hat sich unter breitspektralem Sonnenlicht entwickelt, das von Ultraviolett bis Infrarot (300–2500 nm) reicht. Dieses spektral ausgewogene Licht hat die Physiologie und den Stoffwechsel des Lebens geprägt. In der modernen Beleuchtung dominieren jedoch seit kurzem Leuchtdioden mit eingeschränktem Spektrum (350–650 nm).

Das Fehlen längerer Wellenlängen bei LEDs und die Dominanz kurzer Wellenlängen wirken sich auf die Physiologie aus und beeinträchtigen die normale mitochondriale Atmung, die den Stoffwechsel, Krankheiten und den Alterungsprozess reguliert. Mitochondrien sind lichtempfindlich.

Das in LEDs vorherrschende Licht im Bereich von 420–450 nm unterdrückt die Atmung, während tiefes Rot/Infrarot (670–900 nm) die Atmung bei Alterungsprozessen und einigen Krankheiten, einschließlich der Blutzuckerregulation, steigert. Hier ergänzen wir LED-Licht zwei Wochen lang durch Breitbandlicht (400–1500 nm+) und testen die Farbkontrastempfindlichkeit. Wir zeigen eine signifikante Verbesserung dieses Messwerts, die auch nach dem Wegfall der zusätzlichen Beleuchtung noch 2 Monate anhält.

Mitochondrien kommunizieren im gesamten Körper und haben systemische Auswirkungen nach regionaler Lichtexposition. Dies beinhaltet wahrscheinlich veränderte Muster der Serum-Zytokin-Expression, was die Möglichkeit weiterer negativer Auswirkungen von LEDs auf die menschliche Gesundheit nahelegt, insbesondere bei älteren Menschen oder in klinischen Umgebungen, in denen Personen geschwächt sind. Eine Änderung der Beleuchtung in diesen Umgebungen könnte ein äußerst kostengünstiger Weg zur Verbesserung der öffentlichen Gesundheit sein.

Diskussion durch die Autoren (nicht editiert)

Wir zeigen, dass sich die Sehleistung von Personen, die unter Standard-LED-Beleuchtung arbeiten, durch die Einwirkung von Glühlampenlicht, dessen Spektrum dem Tageslicht ähnelt und eine umfangreiche Infrarotkomponente aufweist, deutlich verbessert. Diese Daten stimmen mit der Hypothese überein, dass LED-Beleuchtung die Sehleistung des Menschen beeinträchtigt. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit Laborversuchen, bei denen bestimmte von LEDs erzeugte Rot-/Infrarot-Wellenlängenbereiche genutzt wurden, um die Sehfunktion bei Tieren und Menschen auf konservative Weise zu verbessern. Es gibt jedoch drei entscheidende Unterschiede zu diesen früheren Studien. Erstens haben wir lediglich die Umgebungsbeleuchtung in einer Arbeitsumgebung mit Bewegungsfreiheit verändert. Zweitens haben wir signifikante, ausgewogene Verbesserungen sowohl im Protan- als auch im Tritan-Bereich erzielt. Zuvor führte die Exposition gegenüber einem begrenzten experimentellen 670-nm-Licht zu Verbesserungen, die stark zugunsten der Tritan-Funktion verzerrt waren. Daher führt die Exposition gegenüber Vollspektrum-Beleuchtung zu einem ausgewogenen Muster der Verbesserung der Sehleistung. Drittens haben wir gezeigt, dass Verbesserungen der Sehfunktion nach der Exposition gegenüber Glühlampenlicht bis zu 6 Wochen und möglicherweise darüber hinaus anhalten, während die Vorteile von rotem Licht mit eingeschränktem Spektrum aus einer einzelnen LED auf etwa 5 Tage begrenzt waren. Diese drei Merkmale verändern die Art und Weise, wie langwelliges Licht zur Verbesserung der menschlichen Physiologie eingesetzt werden kann, indem es in normalen Umgebungen mit anhaltenden, ausgewogenen Effekten bereitgestellt wird. Diese Ergebnisse sind neuartig und könnten Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit haben.

Die Evolution des Lebens auf der Erde erstreckt sich über 4 Milliarden Jahre, die des Menschen über etwa 4 bis 5 Millionen Jahre seit dem letzten gemeinsamen Vorfahren der Primaten. All dies fand unter Sonnenlicht statt, dessen Spektralbereich etwa 300 bis 2500 nm+ umfasst, wobei innerhalb dieses Bereichs stets ein Gleichgewicht zwischen kurzen und längeren Wellenlängen herrschte. Die Nutzung des Feuers durch den Menschen vor 1–2 Millionen Jahren ergänzte das Sonnenlicht, als dieser Afrika verließ, da dessen Spektrum ähnlich ist und einen hohen Infrarotanteil aufweist. Ebenso wies die bis etwa zum Jahr 2000 verbreitete Edison-Glühfadenlampe ein dem Sonnenlicht ähnliches Spektrum auf. Um 2010 herum setzte sich jedoch die LED-Beleuchtung mit ihrem stark eingeschränkten Spektrum (350–650 nm) und ihren energiesparenden Eigenschaften durch, was zu einem Verlust an Infrarotlicht in der bebauten Umwelt führte.

Die Physiologie von Lebewesen ist in einem über die Arten hinweg hochkonservierten Muster an das natürliche Umgebungslicht angepasst. Licht beeinflusst die Mitochondrienfunktion, die ein zentraler Regulator des Stoffwechsels und des Alterungsprozesses bei Tieren ist. Wenn sich das Gleichgewicht zwischen kurzen und langen Wellenlängen verschiebt, hat dies Auswirkungen auf die Mitochondrien. Bei vorherrschender Exposition gegenüber kürzeren Wellenlängen, wie bei LED-Beleuchtung, nimmt die Mitochondrienfunktion ab. Die Proteine der Mitochondrienkomplexe werden abgebaut, und die ATP-Produktion ist verringert. Mit einem verringerten Glukosebedarf der Mitochondrien kommt es zu einer Gewichtszunahme und zu Störungen der Serumzytokine. Folglich besteht, im Einklang mit der mitochondrialen Theorie des Alterns, eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für das Altern und den Tod von Zellen bzw. Organismen. Es wird vermutet, dass dies teilweise darauf zurückzuführen ist, dass Licht im Bereich von 420–450 nm, das bei LEDs vorherrscht, von Porphyrin absorbiert wird und die daraus resultierende Produktion von Sauerstoffsingulett-Radikalen Entzündungen fördert.

Umgekehrt wird die Exposition gegenüber längeren Wellenlängen mit einem erhöhten mitochondrialen Membranpotenzial und einer erhöhten Konzentration von Proteinen der mitochondrialen Komplexe in Verbindung gebracht, deren Gehalt mit zunehmendem Alter und bei Erkrankungen abnimmt. Dies wiederum geht mit einem erhöhten ATP-Spiegel, einer verminderten Entzündungsreaktion und einer verlängerten durchschnittlichen Lebenserwartung einher. Die experimentelle Anwendung längerer Wellenlängen in solchen Situationen wird gemeinhin als Photobiomodulation bezeichnet.

Die Netzhaut weist den höchsten Stoffwechsel im Körper sowie eine hohe Mitochondrienkonzentration auf. Der Stoffwechsel der Netzhaut nimmt mit zunehmendem Alter ab, was jedoch bei verschiedenen Spezies durch langwelliges Licht teilweise ausgeglichen werden kann. Beim Menschen verbessert eine einzige 3-minütige Bestrahlung mit 670 nm das Farbsehen innerhalb von 3 Stunden, wobei dieser Effekt fast eine Woche lang anhält. Was die Autoren dieser Studie jedoch nicht berücksichtigten, war, dass dies in einer Population geschah, die hauptsächlich unter LED-Belechtung arbeitete und lebte, was ihre Ausgangswerte möglicherweise verfälscht hat. Hier haben wir keinen Versuch unternommen, die Lichtexposition oder die Bewegungen der Probanden zu kontrollieren, wie es bei Laborversuchen der Fall wäre. Vielmehr war es unser Ziel, breitbandiges Langwellenlicht in eine Arbeitsumgebung einzubringen, um die menschliche Leistungsfähigkeit durch mitochondriale Manipulation in einem translationalen Schritt zu verbessern.

Es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass die Einwirkung längerer Wellenlängen systemische Auswirkungen hat. Durieux et al. stellten im Zusammenhang mit Experimenten an C.elegans fest: „Wir haben festgestellt, dass eine Störung der Mitochondrien in einem Gewebe vom mitochondrialen Stressreaktionsweg in einem entfernten Gewebe wahrgenommen und darauf reagiert wird.“ Bei Mäusen zeigen sich signifikante, deutliche Veränderungen der Serumzytokin-Expression bei Expositionen sowohl gegenüber kurzwelligem als auch langwelligem Licht. In ähnlicher Weise senkt die Exposition der Körperoberfläche (mit Ausnahme der Augen) gegenüber langwelligem Licht den Blutzuckerspiegel beim Menschen signifikant und erhöht den Sauerstoffverbrauch. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass eine mitochondriale Hochregulation den Kohlenhydratbedarf erhöht, um die gesteigerte ATP-Produktion zu unterstützen. Weitere systemische Auswirkungen lassen sich bei experimentell induziertem Parkinson bei Primaten beobachten und sind dort deutlich erkennbar. Licht, das durch Implantate gezielt auf die Substantia nigra gerichtet wird, ist wirksam bei der Linderung der Symptome, aber ebenso wirksam ist Licht, das auf distale Stellen gerichtet wird.

Einzelne 3-minütige Bestrahlungen bei 670 nm bleiben etwa 5 Tage lang wirksam. Wir zeigen jedoch, dass sie bei einem breiteren Spektrum 6 Wochen lang wirksam bleiben, obwohl wir das Ende der Wirkung nicht feststellen konnten. An dieser Stelle lohnt es sich, mögliche Wirkmechanismen zu betrachten, die nach wie vor umstritten sind. Historisch gesehen wurde angenommen, dass Verbesserungen durch rotes Licht auf die Lichtabsorption durch Cytochrom C in der Atmungskette zurückzuführen sind. Positive Effekte werden jedoch in vitro auch in Abwesenheit dieses Cytochroms festgestellt. Folglich wurde vermutet, dass längere Wellenlängen die Viskosität des Wassers um die rotierenden ATP-Pumpen herum verringern, wodurch der Rotor an Geschwindigkeit zunehmen kann. Dies kann die anhaltenden Auswirkungen der Lichtexposition nicht erklären, da dieser Effekt relativ vorübergehend sein müsste, da die Viskosität nach Entzug des Lichts rasch ansteigen würde. Ein wesentliches Merkmal der Absorption von Licht mit langer Wellenlänge ist jedoch die erhöhte Proteinsynthese in der Atmungskette. Diese Proteine unterliegen im Laufe des Tages Schwankungen, und Komplex IV wird nach Bestrahlung mit rotem Licht hochreguliert. Während rotes Licht also zunächst die Drehzahl der Rotorpumpen erhöhen mag, folgt darauf rasch eine Steigerung der Proteinsynthese, die zu einer höheren Kapazität der Atmungskette führen könnte. Die Lebensdauer dieser Proteine könnte dann die Dauer der Wirkung bestimmen.

Bei der mitochondrialen Proteinsynthese werden lediglich dreizehn Polypeptide gebildet. Dieser Prozess verlangsamt sich wahrscheinlich mit zunehmendem Alter und trägt vermutlich zum altersbedingten Rückgang der Mitochondrienfunktion bei. Entscheidend ist jedoch, dass wir weder die Geschwindigkeit der mitochondrialen Proteinsynthese noch die Lebensdauer dieser Proteine noch das Tempo ihres Abbaus kennen. Wir vermuten, dass dies entscheidende Faktoren für die Dauer der Auswirkungen von Lichteinwirkung sein könnten.

LED-Beleuchtung hat eindeutig das Potenzial, die Sehleistung zu beeinträchtigen, wahrscheinlich durch eine verminderte mitochondriale Funktion. Da sich gezeigt hat, dass lichtinduzierte Veränderungen der mitochondrialen Leistungsfähigkeit systemische Auswirkungen haben, könnten die hier aufgezeigten Auswirkungen von LEDs weitreichender sein als ursprünglich angenommen. Angesichts der weit verbreiteten Nutzung von LEDs könnte dies ein wichtiges Thema für die öffentliche Gesundheit und klinische Umgebungen darstellen, wo eine Anpassung der Beleuchtungsmuster unter Berücksichtigung dieses Aspekts zu bedeutenden positiven Ergebnissen führen kann.

Angesichts unserer Ergebnisse stellt sich die Frage, welche Lösungen zur Verbesserung der Gesundheit im Hinblick auf die Beleuchtung in der bebauten Umwelt gefunden werden können. Glühlampen, die, wie wir hier zeigen, einen deutlich positiveren Einfluss haben als herkömmliche LEDs, werden aus Gründen der Energieeffizienz weltweit aus dem Verkehr gezogen, wobei der Fokus ausschließlich auf dem erzeugten sichtbaren Licht liegt.

Eine Lösung könnte in der Entwicklung von Beleuchtungskörpern mit mehreren LEDs längerer Wellenlänge liegen, um einen größeren Bereich des nahen Infrarots abzudecken. Unsere Versuche in dieser Hinsicht waren jedoch nur begrenzt erfolgreich. Mehrere eng beieinander liegende Spektralpeaks erzeugen keine gleichmäßige Spektralstrahlung, wie sie bei Glühlampen und Sonnenlicht zu finden ist, was für die Funktionsverbesserung problematisch ist und bislang noch keine Ergebnisse gebracht hat. Dies könnte möglicherweise durch eine größere Anzahl von Spektralpeaks mit engerem Abstand überwunden werden. Dies wirft jedoch eine Reihe anderer Probleme hinsichtlich der Kosten und des erhöhten Energieverbrauchs auf, wodurch diese Lösung im Hinblick auf die ökologische Nachhaltigkeit nicht besser ist als die Beibehaltung von Glühlampen.

Entscheidend bei diesem Thema ist die Frage, wie viel Infrarotstrahlung erforderlich ist, um eine verbesserte Funktion aufrechtzuerhalten. Infrarotstrahlung wird in der bebauten Umgebung von relativ wenigen Materialien absorbiert, und aktuellen Studien zufolge muss der Umgebung nur relativ wenig hinzugefügt werden, um eine Wirkung zu erzielen. Eine praktikable Option besteht jedoch darin, eine Glühlampe bei einer niedrigeren Temperatur zu betreiben, was sowohl zu Energieeinsparungen als auch zu einer längeren Lebensdauer des Geräts führt und zudem das spektrale Leistungsmaximum in Richtung längerer Wellenlängen verschiebt.

Wird dies mit einer Halogenlampe durchgeführt, bei der es sich um eine Art Glühlampe mit Wolframfaden handelt, hält der Faden länger, da sich verdampftes Wolfram wieder auf dem Faden ablagert, anstatt das Lampenglas zu schwärzen. Daher ist die Verwendung einer Halogenlampe bei niedrigerer Spannung eine realistische Alternative in Bezug auf Gesundheit und Energieverbrauch.

Anm.: Halogenlampen funktionieren bei niedrigen Temperaturen nicht. Aber auch eine normale Glühlampe kann bei halber Betriebsspannung praktisch unendlich leben.

Links und Literatur

Die Studie ist in vollem Umfang online erhältlich. Für Interessierte füge ich einen Download-Link bei.

Die Autoren zitieren 29 Studien. Hiervon scheinen mir einige besonders interessant:

Jeffery, G. et al. Longer wavelengths in sunlight pass through the human body and have a systemic impact which improves vision. Sci. Rep. 2025 July;15(1);24435. https://doi.org/10.1038/s41598-025-09785-3

Begum, R. et al. Near-infrared light increases ATP, extends lifespan and improves mobility in aged Drosophila melanogaster. Biol.Lett. ;11(3):20150073. (2015). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25788488/ PMID: 25788488.

Powner, M. B. & Jeffery, G. Light stimulation of mitochondria reduces blood glucose levels. J.Biophotonics. ;17(5):e202300521. (2024). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38378043/. PMID: 38378043.

Shore-Lorenti, C. et al. Shining the light on Sunshine: a systematic review of the influence of sun exposure on type 2 diabetes mellitus-related outcomes. Clin. Endocrinol. ;81(6):799–811. (2014). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25066830/ PMID: 25066830.

Sivapathasuntharam, C., Sivaprasad, S., Hogg, C. & Jeffery, G. Aging retinal function is improved by near infrared light (670 nm) that is associated with corrected mitochondrial decline. Neurbiol. Aging 2017 Apr:52:66–70. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28129566/ PMID: 28129566.

Erinnerung an die Zukunft von einst

Das in diesem Artikel in Nature vor zwei Monaten veröffentlichte Argument war im Zuge der Diskussion eines Glühlampenverbots zu Beginn des Jahrhunderts mehrfach vorgebracht worden. Der Grundstein zum Verbot wurde mit der Verabschiedung der ersten Ökodesign-Richtlinie (2005/32/EG) im Juli 2005 gelegt. Diese Richtlinie schuf den Rahmen, um Mindestanforderungen an die Energieeffizienz von Produkten festzulegen. Damals wurde die Glühbirne noch nicht namentlich verboten, aber sie rückte als ineffizienter "Energiefresser" (da rechnerisch bis 95 % der Energie in Wärme statt Licht umgewandelt werden) ins Visier der Experten.

Der wichtigste Protagonist in Deutschland war Alexander Wunsch, der die Argumentation mit dem evolutionsbegleitenden Spektrum jüngst in Licht 1/26 präzisiert hat. Der Beitrag ist hier abrufbar:  Rückkehr der verbotenen Lampe. Wunsch führte in einem Beitrag von 2009 die Rolle des Infrarotanteils für die Funktion der Mitochondrien an: “Der Nahinfrarot-Anteil der Glühlampe stärkt die Funktion der Mitochondrien (Zellkraftwerke).“  Auch das Argument mit besserem Sehen wurde vorgebracht: „Durch die niedrigen Blauanteile erleichtert das Licht der Glühlampe den Sehvorgang, Kontrast und Sehschärfe werden um bis zu 50% erhöht.”

Sein damaliges Fazit lautete: “Aus ganzheitsmedizinischer Sicht käme das Verbot der Verwendung von Glühlampen einer staatlich verordneten KÖRPERVERLETZUNG gleich, solange kein gleichwertiges Leuchtmittel zur Verfügung steht!” (abrufbar unter Creative Commons Lizenz hier