Aufgabe 2 · Abitur NRW Physik GK · Fassadenbeleuchtung Allianz Arena 2026

Material 1: Bilder und Spektren von Leuchtstofflampen und RGB-LEDs

Hinweis

Das Licht dieser Lampe setzt sich im Wesentlichen aus zwei Bestandteilen zusammen: einerseits aus dem Licht eines leuchtenden Gases im Inneren der Lampe und andererseits aus dem Licht eines Leuchtstoffs, der sich auf den Innenwänden der Glasröhre befindet.

Hinweis

Eine RGB-LED besteht aus einer roten, einer grünen und einer blauen LED, welche separat angesteuert werden können. Entsprechend setzt sich das Spektrum aus den Spektren der drei einzelnen LEDs zusammen.

Material 2: Vereinfachtes Energieniveauschema von Quecksilber

Material 3: Aspekte zur Bewertung der Fassadenbeleuchtung

In den Leuchtstoffröhren wurde Quecksilberdampf verarbeitet.

Laut dem FC Bayern konnte durch die Umrüstung von acht 8 000 Leuchtstoffröhren auf mehr als 300 000 LEDs eine Energieersparnis von 60 Prozent erreicht werden.

Statt bislang drei Farben (Rot, Blau, Weiß) kann die neue Beleuchtung 16 Millionen Farben erzeugen.

Beleuchtungskosten von lediglich 50 bis 60 Euro pro Stunde reichen aus, um eine so große Leuchtkraft zu erzeugen, dass die Arena in klaren Nächten auch noch von österreichischen Berggipfeln aus zu sehen ist.

Die Lebensdauer der eingesetzten LEDs beläuft sich auf durchschnittlich 80 000 Stunden. Die Lebensdauer von Leuchtstoffröhren liegt bei 7 000 bis 20 000 Stunden, was etwa einer Zeitspanne von 2 bis 6 Jahren entspricht. Außerdem kann sie sich durch häufiges Ein- und Ausschalten verkürzen.

Der Mangel an Dunkelheit ohne künstliche Lichtquellen hat zahlreiche störende Einflüsse auf Organismen.

LEDs verändern das Farbspektrum der nächtlichen Beleuchtung. Anhand von Fotos, die von der Internationalen Raumstation ISS aufgenommen wurden, haben Forschende festgestellt, dass durch die weißeren LEDs insbesondere der Anteil der Emissionen im blauen Bereich des Spektrums zugenommen hat. Weil blaues Licht die Ausschüttung von Melatonin hemmt, kann der Biorhythmus bei Tieren, aber auch beim Menschen durcheinandergeraten.

Die Nutzung von LEDs bewirkt zudem, dass in Städten noch weniger Sterne sichtbar sind.

Die Bewegung von Insekten, die sich Lichtquellen nähern oder sie vermeiden, wird verändert.

2 Im Gegensatz zu den Leuchtstoffröhren können die drei LEDs, aus denen eine RGB-LED besteht, mit relativ geringer Spannung betrieben werden.

Um dies zu untersuchen, werden die LEDs parallel an eine regelbare Spannungsquelle angeschlossen. Die Spannung wird langsam von $0\text{ V}$ beginnend erhöht. Man beobachtet, dass das Leuchten der drei Farb-LEDs nacheinander bei verschiedenen Spannungen einsetzt.

a

Berechnen Sie die Energie eines Photons der jeweiligen LED mithilfe der Wellenlänge, bei welcher die jeweils höchste Lichtintensität auftritt (M 1).

b

Modellhaft kann davon ausgegangen werden, dass ein Elektron bei der Lichterzeugung seine Energie an die LED abgibt und dabei ein Photon emittiert wird.

Erläutern Sie, warum und in welcher Reihenfolge die LEDs zu leuchten beginnen.

c

Berechnen Sie eine mögliche Spannung, bei der die rote LED leuchtet (M 1).