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TU Berlin

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Forschung

Die Vermessung des Himmels

Freitag, 25. Oktober 2019

Mit dem Tageslichtmessplatz und seinem spektralen Sky-Scanner wird erforscht, welche Eigenschaften Tageslicht auszeichnet

Die Ulbricht-Kugel am Fachgebiet Lichttechnik hat einen Durchmesser von drei Metern. Sie dient Wissenschaftlern wie Nils Weber dazu, den Lichtstrom einer Leuchte zu messen
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Der Tageslichtmesskopf
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Hoch oben auf dem EN-Gebäude der TU Berlin thront das Unikat, eine sechs mal vier Meter große Aluminiumkonstruktion. Auf ihr montiert sind unter anderem ein spektraler Sky-Scanner, ein Pyrheliometer, das die direkte Bestrahlungsstärke durch die Sonne misst, sowie ein Tageslichtmesskopf. Diese Instrumente und noch einige andere bilden den Tageslichtmessplatz. Klingt nicht sexy, ist aber etwas ganz Besonderes.

Der Tageslichtmessplatz auf dem EN-Gebäude: Zu sehen sind ein Pyrheliometer (links) und der spektrale Sky-Scanner
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„Viele vermessen den Himmel und die Erde, aber nur wenige beschäftigen sich mit der Photometrie und Radiometrie des Tageslichts und der photometrischen Charakterisierung der nächtlichen Wahrnehmungsbedingungen in unseren Städten und Gemeinden. Zu ihnen gehört das Fachgebiet Lichttechnik der TU Berlin. Hier sind in den letzten Jahren einzigartige Messplätze und Versuchsstrecken entstanden, die in ihrer Funktionsvielfalt weltweit ihresgleichen suchen“, sagt Nils Weber, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Lichttechnik, das von Prof. Dr.-Ing. Stephan Völker geleitet wird. Auch der Ort des Tageslichtmessplatzes ist besonders. „Normalerweise“, erzählt Nils Weber, „befinden sich solche Messplätze auf freien Feld, unserer liegt mitten in der Stadt. Die Ausstattung, der Ort und das Forschungsgebiet – das alles zusammen macht den Tageslichtmessplatz der TU Berlin einzigartig.“
Das Team von Stephan Völker und der stellvertretenden Fachgebietsleiterin und Tageslichtexpertin Dr. Martine Knoop hat dieses „Freiluftlabor“ konzipiert, um zu erforschen, was Tageslicht eigentlich zu Tageslicht macht. Diverse Studien belegen, dass Tageslicht sich wohltuend auf das Befinden des Menschen auswirkt und gegenüber künstlicher Beleuchtung bevorzugt wird. Aber warum das so ist – darüber herrscht große Unkenntnis.

Diese Kamera misst die Leuchtdichte
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Herzstück des Tageslichtmessplatzes ist der spektrale Sky-Scanner, einer von nur vieren auf der Welt! Seit 2015 nimmt er Tag für Tag, Woche für Woche, Monat für Monat, sommers wie winters und von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang alle zwei Minuten Messungen in 145 Richtungen vor. Davon erhoffen sich die Wissenschaftler*innen Erkenntnisse darüber, was Tageslicht ist, warum es den Menschen guttut und wie es sich von künstlichem Licht unterscheidet. Schließlich soll das Wissen darüber dazu dienen, Gebäude so zu planen, dass das Tageslicht optimal einfallen kann. „Das“, so Nils Weber, „ist alles andere als trivial. Denn mit Glasfassaden allein ist es ja nicht getan, da diese sich auf die Energiebilanz eines Gebäudes eher negativ auswirken.“

Auf der LED-Forschungsstrecke untersucht Sandy Buschmann die Reflexionseigenschaften von Straßen
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Ein zweites „Freiluftlabor“ des Fachgebietes befindet sich auf dem Gelände des Technikmuseums. Hier wurde eine 100 Meter lange Forschungsstrecke mit sechs Masten ausgestattet, an denen in der Höhe stufenlos verstellbare LED-Leuchten angebracht sind. Diese Variabilität ermöglicht es, verschiedenste Beleuchtungssituationen im öffentlichen Raum nachzubilden. „Mit der Forschungsstrecke führen wir Versuche zur Sichtbarkeit zum Beispiel von Fahrradfahrern in Konfliktzonen wie Kreuzungen durch, entwickeln Konzepte für die Beleuchtung von Straßen und untersuchen deren Reflexionseigenschaften, was mein spezielles Forschungsgebiet ist“, sagt die wissenschaftliche Mitarbeiterin Sandy Buschmann. „Berlin zum Beispiel könnte von unseren Forschungen profitieren, da die Stadt nicht optimal beleuchtet ist, teilweise viel zu dunkel und zu ungleichmäßig.“ Direkt neben der Forschungsstrecke befindet sich eine 1500 Meter lange Demonstrationsstrecke mit variablen Lichtverteilungen, die ebenfalls Teil des LED-Laufstegs ist. Er dient den TU-Wissenschaftler*innen dazu, der Öffentlichkeit zu zeigen, wie mit Hilfe von LED-Beleuchtung nicht nur energieeffizient, sondern auch bezüglich Verkehrssicherheit und Immissionsschutz deutlich besser beleuchtet werden kann, als Standards dieses heute vorgeben.
Zur Ausstattung des Fachgebietes gehört neben den beiden „Außenstellen“ eine umfangreiche Messgerätesammlung, die als lichttechnische Prüfstelle eine hervorragende Basis für exzellente Forschung darstellt. Dazu gehören ein Spiral-Goniophotometer und eine Ulbricht-Kugel mit einem Durchmesser von drei Metern, mit deren Hilfe der Lichtstrom einer Leuchte gemessen wird, genauso wie ein Spiegel-Goniophotometer für die Messung der Lichtverteilung von Leuchten, zwei Photometerbänke mit 40 beziehungsweise 120 Metern Länge, bidirektionales Goniophotometer für ortsaufgelöste Reflexions- und Transmissionsgradmessungen, ein Klimaschrank und vieles andere mehr.

Sybille Nitsche

Das Team

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Prof. Dr.-Ing. Stephan Völker, Leiter des Fachgebietes Lichttechnik
Mit der Ablösung der traditionellen Lichtquellen wie Temperaturstrahler und Gasentladungslampen, durch die LED ergeben sich heute völlig neue Möglichkeiten, das Licht so zu verteilen, wie es tatsächlich benötigt wird. Die Lichttechnik kann damit einen signifikanten Beitrag zum Klimaschutz, aber auch zu höherer Verkehrssicherheit und besserer Lebensqualität leisten. Dafür werden neue Messverfahren, zum Beispiel In-situ-Messung der Reflexionseigenschaften von Straßendeckschichten, aber auch eine komplett neue Lichtplanung, basierend auf digitalen 3D-Modelldaten, benötigt. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Psychologen, Wissenschaftlern aus der Augenoptik, Augenärzten, Stadtplanern und Architekten wird entscheidend für unseren Erfolg sein.

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Dr. Martine Knoop, stellvertretende Leitung und Lehrkoordination am Fachgebiet Lichttechnik
Um die psychologischen und physiologischen Wirkungen von Tageslicht auf den Menschen in der Forschung, Planung oder Produktentwicklung zu berücksichtigen, ist eine lichttechnische und spektrale Beschreibung dieser Lichtquelle erforderlich. Hier ist das Fachgebiet Lichttechnik weltweit Vorreiter. Die spektralen Datensätze sowie die daraus abgeleiteten Himmelsmodelle, Planungshilfen und vereinfachten Sensoren können von Forschenden und Absolventen verschiedenster Fachrichtungen (Elektrotechnik, Gebäudeenergiesysteme und Wirtschaftsingenieurwesen) sowie Planenden und Ingenieurinnen/Ingenieuren für die Erforschung und Entwicklung ganzheitlicher Tageslichtlösungen eingesetzt werden.

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Sandy Buschmann, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachgebiet Lichttechnik
In meiner Dissertation entwickele ich eine bildbasierte Messmethode, um die Reflexionseigenschaften von Straßen zu bestimmen. Diese werden für meine weitere Forschungsarbeit benötigt. Ziel ist es, eine maßgeschneiderte energieeffiziente Beleuchtung für den öffentlichen Raum zu entwickeln. Dafür nutze ich unsere Forschungsstrecke am Deutschen Technikmuseum. Die Ausstattung dort ermöglicht es mir, zu untersuchen, welche Lichtverteilung gewählt werden muss, um unterschiedliche Nutzflächen wie Haltestellen, Kreuzungen, Radwege oder Straßen bei möglichst geringem Energieeinsatz optimal zu beleuchten.

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Nils Weber, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Lichttechnik
Der spektrale Sky-Scanner, mit dem wir erforschen, was Tageslicht eigentlich ist, ist ein hochkomplexes Messinstrument. Ich arbeite daran, einen vereinfachten und kostengünstigeren Tageslichtsensor zu entwickeln. Solche Sensoren könnten flächendeckend in Städten installiert werden, um das Tageslichtangebot an diesen Orten zu bestimmen. Hiermit können zum Beispiel Gebäude so geplant werden, dass das auf den Menschen angenehm wirkende Tageslicht optimal genutzt werden kann und sich natürliche und künstliche Beleuchtung sinnvoll ergänzen.

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