Was kann man mit dynamischem Licht erreichen?

Was kann man mit dynamischem Licht erreichen?, kurzgefasst

Dynamisches (künstliches) Licht verändert Beleuchtungsstärke und spektrale Zusammensetzung im Tagesverlauf. Es soll den natürlichen Tageslichtverlauf nachbilden, die innere Uhr unterstützen und gegebenenfalls Schlaf, Wachsamkeit und Wohlbefinden verbessern. Der Beitrag diskutiert eine 2020 veröffentlichte Übersichtsarbeit, für die 330 wissenschaftliche Artikel gesichtet wurden, und ordnet deren Ergebnisse kritisch ein. Die Untersuchung entstand im Umfeld des niederländischen DYNKA-Projekts, das Beleuchtung und Raumklima gemeinsam betrachtet.

Die Übersicht beschreibt vielversprechende zirkadiane und akute Effekte einzelner Lichtszenarien. Besonders eine höhere Lichtdosis am Morgen oder tagsüber erscheint für schlafbezogene Wirkungen relevant. Unterschiedliche Definitionen, Versuchsbedingungen und Zielsetzungen erschweren jedoch verlässliche Vergleiche. Ein universelles Beleuchtungsszenario für sämtliche Aufgaben und Anwendungskontexte lässt sich daraus nicht ableiten. Die Autoren fordern einheitliche Beschreibungen, kontrollierte Laboruntersuchungen und längerfristige Prüfungen unter realen Bedingungen.

Der Verfasser betont zusätzlich methodische Schwierigkeiten beim Nachweis von Ermüdung und Arbeitsleistung sowie praktische Grenzen dynamischer Beleuchtung in Arbeitsräumen. Er hinterfragt die Übertragbarkeit von Erkenntnissen aus therapeutischen und nächtlichen Untersuchungen auf den Büroalltag und kritisiert die isolierte Betrachtung täglicher gegenüber jährlichen biologischen Rhythmen. Sein Fazit: Dynamisches Licht bleibt ein plausibles, technisch realisierbares Konzept. Die begrenzte Beweislage erlaubt weder pauschale Wirkungsversprechen noch den Schluss, dass die angestrebten Wirkungen grundsätzlich fehlen oder unmöglich sind. Entscheidend bleibt eine differenzierte Bewertung.

Was kann man mit dynamischem Licht erreichen?

Ziel dieses Beitrags

„Dynamisches“ Licht ist ein recht schillernder Begriff, den ich etwa 1984 in Eindhoven von Kollegen aus der Firma Philips hörte.  Diese Firma gehört zu den Lichtpionieren. Sie hat sich nicht auf das Herstellen und Verkaufen lichttechnischer Produkte beschränkt, sondern sich seit Jahrzehnten auch um deren Wirkungen gekümmert. So stammten das DIN-Blendungsbewertungssystem von Philips wie auch die Idee, Beleuchtung und Klimatisierung in einer Leuchte zu vereinigen.

Das sog. „dynamische“ Licht sehe ich daher immer in Assoziation mit der Firma Philips und den Autoren wie S. H. A. Begemann, G. J. van den Beld, A. D. Tenner, die beispielsweise den Artikel „Daylight, artificial light and people in an office environment: Overview of visual and biological responses“ in 1997 veröffentlicht haben. (International Journal of Industrial Ergonomics, Vol. 20, Issue 2, 1997, S. 93–100.)

Das Thema wurde in den folgenden Jahrzehnten häufig aufgegriffen und methodisch untersucht. Mein Beitrag  fasst die im Jahr 2020 veröffentlichte Übersichtsstudie zum Stand des Wissens über das dynamische Licht zusammen. Diese Arbeit war, nach eigenen Angaben der Autoren, Teil des DYNKA-Projekts, das im Rahmen des TKI-Programms „Urban Energy“ vom Top-Konsortium für Wissen und Innovation – Topsector Energy des niederländischen Wirtschaftsministeriums – gefördert wird.

DYNKA ist die Abkürzung von Dynamic Light and Indoor Climate for Offices bzw. DYNamisch licht en binnenklimaat voor KAntoren . Es untersuchte, wie eine dynamische Kombination aus LED-Beleuchtung und Raumtemperatur die Gesundheit der Mitarbeitenden verbessern und gleichzeitig den Energieverbrauch senken kann. Das Projekt startete im Jahr 2017 und war auf vier Jahre angelegt. Da es erfolgreich war, wurde ein Nachfolgeprojekt initiiert: PERDYNKA (Persoonlijk Dynamisch licht en binnenklimaat voor kantoren).

Die Kombination von Licht und Klima ist nicht zufällig gewählt. Denn sowohl das statische Licht als auch das ständig gleichbleibende Klima in Büros wurden für die Störung des circadianen Rhythmus der Insassen verantwortlich gemacht.

Die hier kommentierte Publikation umfasste 330 wissenschaftliche Artikel, die auf Englisch erschienen und in ‘Scopus’, ‘PsycINFO’ und ‘Web of Science’ registriert worden sind.

Was ist dynamisches Licht?

Leider waren die Autoren nach der Durchsicht von 330 ausgesuchten Artikeln nicht in der Lage, anzugeben, was dynamisches Licht sei. Ihr Statement dazu: „Studien zur dynamischen Beleuchtung liefern nur gelegentlich eine Definition des Begriffs.“ Zwei der drei Autoren der Übersicht führen ein eigenes Papier an, in dem sie dynamische Beleuchtung als eine Beleuchtung charakterisieren, bei der „Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke im Laufe des Tages gemäß einem voreingestellten Protokoll variieren, mit dem Ziel, den natürlichen Rhythmus der Wachsamkeit der Mitarbeiter zu unterstützen oder sogar zu verstärken“.

Etwa in diesem Sinne hatten die sich mit der Beleuchtung von Arbeitsstätten befassten deutschen Gremien das Thema diskutiert. Die Autoren stellen ihre Ansicht nach Studium der geprüften Studien wie folgt dar: „Für diese Übersicht wird dynamische Beleuchtung definiert als künstliche Beleuchtung, deren Intensität und/oder spektrale Leistungsverteilung im Zeitverlauf mithilfe voreingestellter Beleuchtungseinstellungen variiert wird, was zu einer veränderten Aktivierung mindestens eines der Photorezeptoren über einen wesentlichen Teil des Tages führt.“

Warum dynamische Beleuchtung?

Unter dieser Fragestellung betrachten die Autoren die Motivationen, die zum Einsatz von dynamischem Licht geführt haben, das der jeweiligen Publikation zugrunde lag. Der wesentliche Grund hierfür soll die Nachahmung des natürlichen Verlaufs des Tageslichts in der Menge (Beleuchtungsstärke) und in der Qualität (Lichtfarbe) sein.

Damit ändert man die statische Natur des Lichts im Innenraum, die viele Forschende für die fehlende Synchronisation mit dem natürlichen Tagesverlauf verantwortlich halten, wenn man lange Zeit in Innenräumen arbeitet. Sie führen aus: „Dynamische Beleuchtung kann vielfältigen Zwecken dienen. Zunächst einmal hat sich die Menschheit – im Gegensatz zu dem flächendeckenden, blockartigen Muster elektrischen Lichts in modernen Wohn- und Büroräumen, dem wir ausgesetzt sind – im Rahmen des Tag-Nacht-Zyklus des natürlichen Lichts entwickelt, wobei die Dynamik der Sonne als primärer Synchronisator unserer biologischen Uhr fungiert. Unser zirkadianer Rhythmus wird sowohl von der Gesamtdosis als auch vom Zeitpunkt der Lichtexposition beeinflusst. Diese Aspekte können unseren zirkadianen Rhythmus hinsichtlich seiner Synchronisationsphase und Amplitude beeinflussen.“ Dies halten die Autoren für eine der Hauptmotivationen für den Einsatz dynamischer Lichtszenarien, die studiert worden sind.

Darüber hinaus sollen verschiedene Theorien möglicherweise erklären, warum dynamische Beleuchtung, die Tageslicht nachahmt, anregend wirken und ein positives Erlebnis hervorrufen kann. Die Variation des natürlichen Lichts liefert uns oft kontextbezogene Hinweise, die uns mit der Welt, in der wir leben, verbinden. Hierbei geht es um die Orientierung des Menschen in Raum und Zeit.

Die hier zitierte Übersichtsarbeit wurde durchgeführt, um systematisch zu untersuchen, welche Arten dynamischer Szenarien bisher für den Tagesgebrauch entworfen und getestet wurden, welche Beweggründe dahinterstanden und welche Effekte nachgewiesen wurden.

Quintessenz der Autoren

Der nachfolgende Text gibt die Übersetzung der Schlussfolgerungen der Autoren mit deepl übersetzt, aber unredigiert wieder.

Gründliche und strukturierte Untersuchungen zu dynamischen Lichtszenarien sind rar, doch in der vorliegenden Auswahl zielten mehrere dynamische Lichtszenarien erfolgreich sowohl auf zirkadiane als auch auf akute Effekte ab, und zwar mit nur minimalen negativen Folgen. Aufgrund der Gemeinsamkeiten in den einbezogenen Studien scheint die erhöhte Lichtdosis am Morgen bzw. tagsüber von Bedeutung zu sein, insbesondere für die Auslösung schlafrelevanter Effekte. Aufgrund der großen Unterschiede zwischen den Lichtszenarien ist es jedoch schwierig, die wirksamsten Merkmale genau zu bestimmen.

 Je nach Zielsetzung kann dynamische Beleuchtung so gestaltet werden, dass sie unterschiedliche Lichteinstellungen für verschiedene Aufgaben bietet, aber auch die Synchronisation der inneren Uhr unterstützt. Diese unterschiedlichen Beweggründe für den Einsatz dynamischer Lichtszenarien deuten darauf hin, dass sie nicht durch ein einziges Lichtszenario abgedeckt werden können. Auf der Grundlage der aktuellen Erkenntnisse zu zirkadianen und akuten Auswirkungen von Licht lassen sich (vorläufig) menschenzentrierte dynamische Lichtszenarien entwickeln; eine „Ein-Szenario-für-alle“-Lösung ist jedoch angesichts der Vielfalt der Ziele (z. B. Förderung des Schlafs, Wachsamkeit, Komfort, Energieeinsparung, Aufgabenleistung oder Verbundenheit mit echtem Tageslicht), der Zielgruppen und der Anwendungskontexte unwahrscheinlich.

Diese Übersicht zeigt, dass die Forschung zu dynamischen Lichtszenarien derzeit eher unstrukturiert zu sein scheint. Einerseits ist noch viel über die spezifischen dynamischen Muster unbekannt, die sich positiv auf den Menschen auswirken könnten; diese könnten im Rahmen sehr grundlegender, streng kontrollierter Laborstudien mit deutlich kürzeren Expositionszeiten untersucht werden. Andererseits müssen wir jedoch auch die Wirksamkeit dynamischer Szenarien in realen Kontexten und bei längeren Expositionszeiten systematisch bewerten. Zu diesem Zweck ist es wichtig, dass wir ein Vokabular und einen Rahmen entwickeln, um die Grundlagen und die Gestaltung dynamischer Lichtszenarien zu beschreiben, sowie fundierte Methoden zu ihrer Überprüfung. Die vorliegende Übersicht deutet subtil darauf hin, dass dynamische Lichtszenarien vielversprechend für die menschliche Leistungsfähigkeit sind, zeigt aber auch deutlich, dass es derzeit an konsolidierten Strategien für ihre Beschreibung und Bewertung mangelt.

Bereits in der Einleitung des Artikels geben die Autoren eine deutliche Warnung: „In den letzten Jahren haben viele Unternehmen dynamische Beleuchtungssysteme eingeführt (z. B. Signify, OSRAM, Halcyon Lighting, Glumac oder USAI Lighting). Diese Systeme werden damit beworben, dass sie „… ein inspirierendes Raumklima …“ [Signify] schaffen oder zu „erhöhter Wachsamkeit am Morgen, besserer Konzentration, …“ [Quartz] führen können. Im Gegensatz zu diesen überzeugenden Slogans der Industrie befindet sich die Forschung zu diesem Thema noch in einem frühen Stadium und ist bei weitem noch nicht abschließend.“

Meine Wertung

In dem Haupttext von Genesis 2.0 – Schöpfung der elektrischen Sonne werden zwei relevante Aspekte behandelt, die dieses Thema betreffen:

1. Unsere Unfähigkeit, auch scheinbar bekannte Erscheinungen empirisch nachzuweisen, so etwa Ermüdung, Lesbarkeit von Texten, Beeinflussung der Arbeitsleistung. Ähnliche Effekte können bei den durch die Autoren geprüften Studien wirksam geworden sein.
2. Die enormen Restriktionen in der Realisierung der „dynamischen“ Beleuchtung in Arbeitsumgebungen.

Ad 1: Die Aussage betrifft nicht irgendwelche Firmen oder Forschenden, sondern die gesamte Wissenschaft, so auch Psychologie, Psychiatrie, Medizin oder Arbeitswissenschaft. Auch wenn jeder einzelne Mensch weiß, wie es sich anfühlt, ermüdet zu sein, war es bislang nicht möglich, eine empirische Größe zu finden, die Ermüdung misst. Der Versuch, die Beeinflussung der Arbeitsleistung durch äußere Umstände nachzuweisen, endete gar in einer wissenschaftlichen Katastrophe (s. Kapitel Leistung, Leistung über Alles! Eine kleine Geschichte aus Hawthorne Works) Selbst eine ganz offensichtliche Wirkung, die Verbesserung der Lesbarkeit von Texten durch bessere Beleuchtung, lässt sich nicht eindeutig empirisch belegen. Dass dies nicht an der fehlenden Wirkung von Licht liegt, sieht man daran, dass auch die Typographen nicht nachweisen konnten, dass eine besser geformte Schrift besser lesbar ist. U.a. deswegen gilt die Typographie als die „schwarze Kunst“ (wie Magie). Dabei ist die Typographie eine der Säulen, auf denen unsere Zivilisation beruht.

Die untere Aufstellung zeigt Schriften, die bei Leseversuchen als etwa gleichwertig erscheinen. Glauben wird das aber eher niemand:

Die Realität ist aber viel schlimmer. Die unten gezeigten unterschiedlichen Schriftgrößen haben in einer Studie eines renommierten Forschenden keinen Unterschied in der Lesbarkeit gezeigt:

Diese unglaublichen Erkenntnisse zeugen davon, dass Menschen in der Lage sind, mit äußerst widrigen Umständen klarzukommen. Allerdings werden sie dabei unterschiedlich belastet. Dies könnte man z.B. durch Ermüdungsuntersuchungen ermitteln. Leider stehen solchen Studien andere Hindernisse im Wege.

Ad 2: Wenn man die Innenraumbeleuchtung fühlbar anders gestalten und dafür eine Veränderlichkeit relevanter Parameter (Beleuchtungsstärke, Lichtfarbe, Lichtrichtung) einführen wollte, kann man bei der Beleuchtungsstärke keine physiologisch wirksamen Sprünge von mehreren hundert oder tausend Lux realisieren. Dynamik nach unten, also sehr geringe Beleuchtungsstärken als Basis einzurichten, um diese dann auf 1000 lx oder ähnlich zu steigern, ist in Arbeitsumgebungen nicht zulässig. Ob es überhaupt sinnvoll wäre, darf man auch bezweifeln. Lichtfarben in ähnlichem Umfang wie bei Tageslicht zu variieren, ist heute technisch gesehen kein Problem. Ob man das in einem Arbeitsumfeld machen darf, ist hingegen sehr fraglich. Bei der Lichtrichtung würde ich erwarten, dass Planer wie Laien fragen, was denn Lichtrichtung sein soll. Es gibt sogar einen Professor der Lichttechnik, der die Beleuchtungsstärke als Skalar, also ohne Richtung, sehen möchte.

So habe ich die Schlussfolgerung gezogen: „Beim dynamischen Licht liegt es nicht an mangelnden technischen Fähigkeiten, dass es nicht funktioniert. Diese sind vorhanden, wie man bei der Bühnenbeleuchtung oder gar auf jedem Jahrmarkt sehen kann. Das Problem ist die Zweckbindung von Arbeitsräumen. Dort müssen bestimmte Arbeiten über längere Zeiträume unter möglichst gleichen Bedingungen verrichtet werden. Selbst wenn man eine dynamische Beleuchtung so steuert, dass für ein gutes Sehen erforderliche Bedingungen nie unterschritten werden, kann man bei den Nutzern das Gefühl nicht vermeiden, die Sehbedingungen änderten sich zusehends ohne ihr Zutun. So willkommen eine unbemerkt erlebte Veränderung der Umwelt auch sein mag, niemand will merkliche Variationen der Beleuchtung erleben, wenn diese künstlich erzeugt werden.“ (Im Zenit und weiter)

Ich würde davon ausgehen, dass eine Wirkung vorhanden sein muss. Sie ist aber gegenüber anderen Einflussfaktoren in der Arbeitswelt relativ gering und kann allein deswegen nicht empirisch nachgewiesen werden.

Generelle Kritik

Wie auch von den Autoren festgestellt, fehlte in der geprüften Literatur der „goldene“ Faden. Warum will man „dynamisches“ Licht in Arbeitsräumen installieren? Kann man hierfür die Erkenntnisse aus Studien in psychiatrischen Anstalten mit kranken Menschen heranziehen? Wenn man mit dynamischem Licht die circadiane Rhythmik des Menschen unterstützen will, darf man Erkenntnisse aus nächtlichen Studien in Schlaflaboren nutzen?

Eine andere Literatursammlung, die dazu dienen sollte, „heilsames“ Licht, alias integrative Beleuchtung, gar zu normen, umfasste 212 Studien. Sie wurde für das Projekt ISO/TR 21783 Light and lighting — Integrative lighting — Non-visual effects zusammengestellt. Ein erheblicher Teil dieser Literatur bezieht sich auf veränderliche Beleuchtung, die die circadiane Rhythmik unterstützen soll. Darin kommen viele Autoren vor, deren Arbeiten auch in der hier kommentierten Studie berücksichtigt worden sind.

Als wir gegen diesen Entwurf Einspruch erhoben und damit nicht ganz allein waren, wurden nicht weniger als 183 von 212 (86%) entfernt, dafür wurden 34 neue Studien hinzugezogen. Wie durch ein Wunder blieben aber alle Aussagen erhalten.

Eine Überprüfung der Quellen ergab folgende Verteilung:

• Therapie: 3 Objekte, davon eines Delirium
• Krebsrisiko: 3 Objekte
• Demenz: 4 Objekte
• Lernerfolg: 3 Objekte
• Hormonforschung: 2 Objekte
• Gemütszustände: 6 Objekte
• Schlaf und Schläfrigkeit: 21 Objekte (von insgesamt 63)
• Gesundheit: 10 Objekte (im Titel oder Publikationsorgan)

 

Die Wissenschaftsakrobatik, Regeln für die Beleuchtung von Arbeitsstätten aus all diesem Sammelsurium abzuleiten, musste misslingen. ISO/TR 21783 zählt nicht gerade zu  den Highlights der Regelsetzung. Sie enthält nicht eine einzige Empfehlung.

Ein weiterer Kritikpunkt betrifft den wichtigsten Akteur der Erscheinung, die wir circadiane Rhythmik nennen. Er ist das Melatonin. Diesem war es lange gelungen, sich der Wissenschaft zu entziehen, und es wurde erst 1958 entdeckt und beschrieben. Dabei ist sein Alter in der gleichen Größenordnung wie das der Erde, etwa 2,5 Milliarden Jahre. Es gibt nur wenige Spezies auf der Erde, die ohne Melatonin auskommen. Wir sind weit davon entfernt, sein Wirken zu verstehen. Selbst die Entdeckung eines Moleküls, das praktisch in jedem Lebewesen wirksam ist, ist sehr spät gelungen.

So wird Melatonin in enger Beziehung zum täglichen Rhythmus des Sonnenlichts gesehen. Aber Spezies wie Rentiere haben einen circadianen Rhythmus, ohne jemals den üblichen Sonnentag erlebt zu haben. Dafür spielt sich in den Ozeanen die größte Migrationsbewegung der Welt im Tagestakt ab. Die vertikale Migration in den Ozeanen (auch Diel Vertical Migration, kurz DVM) ist die größte reguläre Tierwanderung der Erde. Jeden Tag bewegen sich Milliarden von Organismen (wie Zooplankton, kleine Fische, Quallen und Tintenfische) über Hunderte von Metern vertikal durch die Wassersäule. Bei Einbruch der Dunkelheit schwimmen die Tiere aus der dunklen Tiefe (oft über 1.000 Meter) hinauf in die nährstoffreichen, aber gefährlicheren Oberflächengewässer, um dort Phytoplankton und Mikroorganismen zu fressen. Doch in solchen Tiefen gibt es praktisch kein Sonnenlicht. Wie merken Milliarden von Tieren, dass es Zeit ist, sich nach oben zu bewegen?

Also muss Melatonin ein autonomes Programm enthalten, das unverrückbar ist. Äußere Ereignisse können dieses Programm auf der Zeitschiene verschieben, aber nicht ändern. Hinzukommt, dass praktisch alle Forschungsergebnisse aus geographischen Regionen mit veränderlicher Länge der Tage stammen. Die Zirbeldrüse (Epiphyse) schüttet Melatonin ausschließlich nachts aus. Da sich die Länge der Nacht mit den Jahreszeiten ändert, fungiert die Dauer der nächtlichen Melatoninausschüttung als interner Kalender (fotoperiodisches Signal) – sie ist im Winter länger und im Sommer kürzer. Diese saisonale Melatoninbotschaft reguliert wichtige jährliche Anpassungen wie die saisonale Fortpflanzung, den Fellwechsel, das Körpergewicht und den Stoffwechsel.

Alle betrachteten Studien betrachten den circadianen Rhythmus, ohne jedoch den circannualen mit in Betracht zu ziehen. Wer eng zusammenhängende Entwicklungen isoliert voneinander betrachten will, darf das tun, nachdem er die Zulässigkeit des Vorgehens geprüft und bewiesen hat. Bei unserem derzeitigen Wissensstand über zirkadiane und circannuale Rhythmen ist eine isolierte Betrachtung der einzelnen Vorgänge schlicht unzulässig.

Quintessenz

Dynamisches Licht ist seit etwa 40 Jahren ein vielversprechendes Konzept, mit dem sich sogar ein Wirtschaftsministerium eines wichtigen Industriestaates tiefergehend beschäftigt. Die Bilanz der wissenschaftlichen  Studien bis zum Jahr 2020, dem Jahr der Veröffentlichung des hier betrachteten Artikels, ist überschaubar. Aufgrund meiner Erfahrungen und meines Wissens über ähnlich gelagerte Studien ist das kein verwunderliches Ergebnis. Daraus kann man aber nicht schlussfolgern, dass die angestrebten Wirkungen nicht vorhanden oder gar unmöglich sind.