Glühlampe

Eine Glühlampe, auch Glühfadenlampe oder allgemeinsprachlich Glühbirne genannt, ist eine künstliche Lichtquelle. In der Glühlampe wird ein elektrischer Leiter durch elektrischen Strom aufgeheizt und dadurch zum Leuchten angeregt und erzeugt damit das elektrische Glühlicht. Die weit verbreitete Bauform der Glühlampe mit Schraubsockel wird fachsprachlich als Allgebrauchslampe bezeichnet (abgekürzt A-Lampe oder AGL).

Sie wurde oft zur Wohnraumbeleuchtung eingesetzt. Da sie jedoch sehr ineffizient ist (etwa 10–22 lm/W verglichen mit 61–140 lm/W für weiße LEDs), wurde unter anderem in der Europäischen Union, der Schweiz, der Volksrepublik China und Australien die Herstellung und der Vertrieb von Glühlampen mit geringer Energieeffizienz verboten, um so Energie einzusparen.

Geschichte

Bereits vor der Erfindung des elektrischen Lichts wurde der Begriff Glühlampe verwendet, und zwar für einen Spiritusapparat zur Erzeugung ätherischer Dämpfe, über dessen Docht eine Spirale aus Platindraht angebracht ist. Das Platin oxidierte nach dem Auslöschen der Flamme den aufsteigenden Brennstoffdampf katalytisch weiter und erzeugte bei dunkler Glut Wärme, die den Prozess in Gang hielt.

Louis Jacques Thénard zeigte 1801, dass man Metalldrähte durch den elektrischen Strom aus galvanischen Elementen zur hellen Glut bringen kann. Es existieren Belege für eine frühe Glühlampe mit Platinfaden unter einer evakuierten (luftleeren) Glasglocke aus der Zeit um 1820. Herkunft und Datierung der als „De-la-Rue-Lampe“ oder auch „De-la-Rive-Lampe“ bezeichneten Lampe sind unklar. Am 25.07.1835 führte der Schotte James Bowman Lindsay bei einem öffentlichen Meeting in Dundee ein konstantes elektrisches Licht vor. Er gab an, dass er "ein Buch in einem Abstand von eineinhalb Fuß lesen" könne. Lindsay vervollständigte die Vorrichtung zu seiner eigenen Zufriedenheit, wandte sich danach jedoch von seiner Erfindung ab und dem Problem drahtloser Telegraphie zu. Frederick de Moleyns erhielt 1841 das erste bekannte Patent auf eine Glühlampe. Er verwendete Kohlepulver zwischen Platindrähten unter einem luftleeren Glaskolben. Der Amerikaner John Wellington Starr erhielt 1845 durch Edward Augustin King in London ebenfalls ein Patent auf eine Glühlampe. In diesem Patent werden Karbonstifte als geeignetes Glühmaterial für helles Licht genannt. Ebenfalls 1845 veröffentlichte der Engländer William Robert Grove die Konstruktion einer von ihm 1840 entwickelten Glühlampe mit Platinglühfaden in Spiralform.

Zahlreiche Patente für Glühlampen wurden ab den 1850er Jahren angemeldet. Die Entwickler scheiterten mit der Herstellung länger haltender Glühlampen zunächst an der Vakuumtechnik. Nach Erfindung und Verbreitung der Vakuumpumpe intensivierten sich in den 1870er Jahren die Konstruktionsanstrengungen in verschiedenen Ländern mit der Folge zahlreicher Patentanmeldungen. Die Brenndauer der Konstruktionen lag jedoch bei unter zehn Stunden. Neben der Haltbarkeit der Lampen wurde das Problem des Energieverbrauchs ein Schwerpunkt der Bemühungen. 1874 erhielt Alexander Nikolajewitsch Lodygin in Russland ein Patent auf eine Glühlampe mit einem Kohlefaden oder einem dünnen Kohlestift in einem mit Stickstoff gefüllten Glaskolben.

Der britische Physiker und Chemiker Joseph Wilson Swan entwickelte 1860 ebenfalls eine Glühlampe, bei der er als Glühfaden verkohltes Papier in einem luftleeren Glaskolben benutzte. Erst 1878 gelang ihm die Herstellung einer praktisch brauchbaren elektrischen Glühlampe. Er erwarb sein Patent in England 1878 somit zwei Jahre früher als Edison sein vergleichbares Patent in den USA. Er stattete seine Glühlampen mit einer speziellen Fassung, der Swanfassung, aus, die sich im Gegensatz zu den Schraubgewinden der Edisonglühlampen bei Erschütterung, zum Beispiel in Fahrzeugen, nicht lösten. Nach anfänglichen Patentrechtsstreitigkeiten einigten sich Edison und Swan und gründeten schließlich 1883 in London eine gemeinsam betriebene Firma.

Thomas Alva Edison, der fälschlicherweise als Erfinder der Glühbirne bezeichnet wird, verbesserte die Glühlampe und erhielt am 27. Januar 1880 das Basispatent Nummer 223898 für seine am 04.11.1879 angemeldete Entwicklung. Das in tradierten Darstellungen verbreitete Erfindungsdatum 21.10.1879 gilt nach Ergebnissen der neueren Quellenforschung indes als Legende. Seine Glühlampe bestand aus einem evakuierten Glaskolben mit einem Kohleglühfaden aus verkohlten Bambusfasern. Zahlreiche Verbesserungen, insbesondere bei der Präzisionsherstellung des Glühfadens, führten zu Glühlampen, mit denen Edison den Wettbewerb gegen die damals üblichen Gaslampen erfolgreich aufnahm. Haltbarkeit, Lichtausbeute und Energiekosten spielten dabei eine Rolle. Edisons Glühlampen waren im Unterschied zu Swans Lampen mit hochohmigen Glühfäden ausgestattet, die zwar schwierig herzustellen waren, den Einsatz in elektrischen Netzen jedoch wesentlich vereinfachten und verbilligten. Bei hoher Spannung für hochohmige Verbraucher konnte elektrische Energie einfacher transportiert werden, und die möglichen geringeren Kabelquerschnitte sparten erhebliche Kupfermengen. Dadurch wurde ein Energieversorgungsnetz für Elektrizität technisch machbar und mit Netzen für Gaslampen wettbewerbsfähig. Insbesondere konnte Edison mit seinen hochohmigen Lampen auch das Problem der Teilbarkeit des Lichts lösen; alle vorherigen Lösungen erforderten für wenige Lampen jeweils eine eigene Stromquelle. Deswegen wird die Erfindung der praktisch nutzbaren Glühlampe gemeinhin Thomas Alva Edison zugeschrieben. Edisons Konstruktion war die erste Glühlampe, die nicht nur in geringer Stückzahl in Werkstätten hergestellt wurde, sondern in einer eigens errichteten Fabrik in Serienfertigung ging.

Die Benutzung von Kohlefadenglühlampen in privaten Haushalten in den 1880er Jahren ging einher mit dem Aufbau von Versorgungsnetzen für elektrische Energie. Diese Produkte markieren mithin in der kulturellen Entwicklung den Beginn der durchdringenden Elektrifizierung. In Deutschland gilt das Café Bauer (Berlin) als erstes mit Glühlampen beleuchtetes Gebäude im Jahr 1884, die von Emil Rathenau nach Edison-Patenten gefertigt wurden.

Um die Verteilung des neu entstehenden Elektromarktes wurde in den 1880er Jahren hart gekämpft, wobei insbesondere zahlreiche Patentprozesse um das Schlüsselprodukt der Elektrifizierung, die Glühlampe mit hochohmigem Kohlefaden, geführt wurden. Heinrich Göbel gab 1893 in Patentprozessen zwischen der Edison Electric Light Co. und anderen amerikanischen Glühlampenherstellern an, bereits ab den frühen 1850er Jahren mit Kohlefadenglühlampen experimentiert zu haben, konnte seine Behauptung der Antizipation der Edison-Erfindung aber vor Gericht nicht beweisen. Er galt dennoch im 20. Jahrhundert in Deutschland als Erfinder der Kohlefadenglühlampe. Die erste deutsche Glühlampe soll 1883 in Stützerbach (Thüringen) hergestellt worden sein. Diesbezügliche Quellen stehen allerdings im Widerspruch zur älteren, oben abgebildeten Glühlampe von C. H. F. Müller.

Die Eignung von Osmium, Tantal oder Wolfram für Glühfäden war wegen des hohen Schmelzpunktes dieser Metalle bekannt. Aber erst technische Entwicklungen in der Pulvermetallurgie wie die Sintertechnik ermöglichten die wirtschaftliche Verarbeitbarkeit. Wolfram, Osmium und Tantal sind seltene und mithin teure Rohstoffe. Bei dem sehr harten und spröden Wolfram waren die zu lösenden Verarbeitungsprobleme am größten. Der österreichische Chemiker und Gründer von Osram, Carl Auer von Welsbach, leistete einen wichtigen Beitrag zu der Erfindung der Glühlampe, indem er ein Verfahren zur Herstellung von Drähten aus Osmium (Patent 1890) und Wolfram entwickelte, die damals als Metalle mit den höchsten Schmelzpunkten galten.

1897 erfand der Physikochemiker Walther Nernst in Göttingen die nach ihm benannte Nernstlampe, die von der AEG und von Westinghouse (Nernst Lamp Company) produziert wurde. Bei dieser Glühlampe dient ein dünnes Stäbchen (Nernststift) aus einem Festkörper-Elektrolyt (überwiegend Zirconiumoxid mit Zusätzen) statt eines Kohle- oder Metallfadens als Glühkörper. Der Nernststift benötigt kein Schutzgas, sondern kann in normaler Umgebungsluft betrieben werden.

Im Jahre 1903 erfand Willis R. Whitney einen Glühfaden, der die Innenseite einer Glühlampe nicht schwärzte. Es war ein metallummantelter Kohlefaden. Bereits ein Jahr zuvor (1902) erkannte der deutsche Chemiker Werner von Bolton mit dem Schweizer Physiker Otto Feuerlein das chemische Element Tantal (Ta) als geeignetes Material zur Herstellung von metallischen Glühfäden. 1905 wurden die ersten Glühlampen mit Tantalfäden ausgeliefert und ersetzten allmählich die bisherigen Kohlefadenlampen. Die Tantallampe war zwar eine kurze Episode in der Geschichte der Glühlampe im Vorfeld der Entwicklungen zur heute verwendeten Wolframlampe, aber bis zum Ausbruch des Ersten Weltkriegs wurden weltweit über 50 Millionen Tantallampen nach Bolton und Feuerleins Verfahren hergestellt und verkauft.

Im Jahre 1906 wurden von der General Electric Company Patente für Wolframglühfäden als Basis für eigene Forschungs- und Weiterentwicklungsarbeiten gekauft. Diverse Quellen nennen Alexander Nikolajewitsch Lodygin als Patentinhaber, der schon in den 1890er Jahren mit Wolfram experimentiert hatte und auf der Weltausstellung 1900 eine solche Lampe vorführte. In jener Zeit experimentierten viele Entwickler, an der Entwicklung einer praktisch einsetzbaren Wolframglühfadenlampe. Glühfäden aus mittels Sintern gewonnenem Metall waren extrem spröde, die Verarbeitung zu Spiralen oder Schlaufen war für eine Massenproduktion unmöglich. Am 13.09.1904 erhielten Franjo Hanaman und Alexander Just ein Patent auf eine Glühlampe mit einem von Wolfram ummantelten Kohlefaden, die nach dieser Methode hergestellten Glühlampen erhielten den Markennamen Tungsram (ein Kofferwort aus TUNGSten und WolfRAM).

Im Jahre 1910 erfand der für General Electric arbeitende William David Coolidge eine Methode zur Herstellung mechanisch stabiler Wolframglühfäden. General Electric begann 1911 mit der kommerziellen Herstellung der heute noch üblichen Glühlampen mit Wolframglühfaden. Dieser Lampentyp verbesserte das Verhältnis von Lichtausbeute zu Energieverbrauch erheblich. General Electric gewann die nach Auslauf der Edison-Patente verlorene Dominanz auf dem Glühlampensektor zurück.

Im Jahre 1911 entdeckte Irving Langmuir, dass durch die Verwendung eines Argon-Stickstoff-Gemisches in einer Glühlampe die Lebensdauer des Wolfram-Glühfadens verlängert wird. Seit 1936 wird Krypton als Füllgas benutzt, seit 1958 erstmals auch Xenon für Hochleistungslampen. 1931 beantragte die Chemikerin Mary B. Andrews in den USA ein Patent für eine elektrische Glühlampe, welches mit der Nummer 2019331 im Jahr 1935 erteilt wurde. Eine frühere Patenterteilung an eine Frau in der Glühlampentechnologie ist zurzeit nicht bekannt.

Der Berliner Erfinder Dieter Binninger entwickelte für seine Berlin-Uhr eine langlebige „Ewigkeitsglühbirne“, die besonders für Anwendungen gedacht war, bei denen ständig hohe Auswechselkosten entstehen, wie etwa bei Verkehrsampeln oder seiner Mengenlehreuhr. Seine zwischen 1980 und 1982 eingereichten Patente zur „Verlängerung der Lebensdauer von Allgebrauchsglühlampen“ beruhen jedoch im Wesentlichen auf einer veränderten Wendelgeometrie und dem Betrieb mit Unterspannung mittels einer vorgeschalteten Diode.

Funktionsprinzip

In einer Glühlampe lässt man einen elektrischen Strom durch einen dünnen, aus einem leitenden Material (Leiter) (meist ein Metall) bestehenden Faden fließen. Dank geeignet gewähltem Material, z. B. Wolfram, schmilzt dieses nicht. Der Metallfaden hat die Form einer Glühwendel (Glühfaden). Fließt ein ausreichend starker elektrischer Strom durch den Faden, wird dieser so stark erhitzt (joulesche Wärme), dass er glüht. Die Temperatur der Glühwendel beträgt je nach Bauform ca. 1500–3000 °C, sodass sie gemäß dem Planckschen Strahlungsgesetz elektromagnetische Strahlung emittiert, die vor allem im Bereich der Infrarotstrahlung und des sichtbaren Lichts liegt. Das Aussenden von Photonen (Lichtteilchen) wird dabei durch Relaxation der thermisch angeregten Elektronen im Glühfaden hervorgerufen.

Die aufgenommene elektrische Leistung wird jedoch nur zu einem sehr geringen Teil in Form von sichtbarem Licht abgestrahlt, da bei gewöhnlichen Glühlampen nur ca. 2,2 % der elektrischen Energie in Licht gewandelt wird. Der bei weitem größte Teil der Energie wird hingegen im infraroten Bereich als Wärmestrahlung abgestrahlt. Ein Rest wird mittels Wärmeleitung und -konvektion an das Füllgas und den Glaskolben sowie an die Zuleitungs- und Haltedrähte der Glühwendel abgegeben.

Quellen

• Dieter Frank: Von der Glühlampe zur Lichtwurflampe. Eine Evolutionsgeschichte. In: Die Vierte Wand. Organ der Initiative TheaterMuseum Berlin. Ausgabe 009. Berlin 2019, S. 164–175