Das Solarmeter: warum das meistgenutzte Messgerät der Rotlichttherapie strukturell zu hoch misst

Kurze Antwort: Ein Solarmeter ist zum Messen von Sonnenlicht gebaut und nutzt eine Silizium-Fotodiode, deren Empfindlichkeit Richtung Infrarot stark ansteigt. Richten Sie es auf ein Rot- und Infrarotpanel, zeigt es etwa doppelt so viel an. Der Fehler ist außerdem nicht linear, sodass Sie mit so einem Gerät auch keine zwei Panels fair vergleichen können. Die beliebten „100 mW/cm²“ auf einem Solarmeter entsprechen in Wirklichkeit etwa 49 mW/cm².

Das Solarmeter ist das meistgenutzte Messgerät dieser Branche und zugleich das am wenigsten geeignete. Es ist eines der Messprobleme aus dem Übersichtsartikel darüber, warum Bestrahlungsstärken von Rotlichttherapie-Lampen nicht stimmen.

Wofür ein Solarmeter gemacht ist

Ein Solarmeter, auch Pyranometer genannt, ist für eine Aufgabe entwickelt: die Menge an Sonnenlicht messen. Solarinstallateure nutzen es, um die Einstrahlung auf ein Dach zu bestimmen, Gärtner, um zu sehen, wie viel Licht ihre Pflanzen bekommen. Es kostet zwanzig bis fünfzig Euro und zeigt W/m² an.

Zwei Eigenschaften lassen es für Rotlichttherapie attraktiv wirken. Die Spezifikation nennt einen Bereich von 400 bis 1100 nm, der rotes und nahinfrarotes Licht umfasst. Und W/m² lässt sich mit einer Kommaverschiebung in mW/cm² umrechnen, genau die Einheit, die in klinischen Studien verwendet wird. Auf dem Papier scheint es also zu passen.

Die Kalibrierung ist jedoch für breitbandiges Sonnenlicht gemacht. Das ist eine grundlegend andere Lichtart als die zwei schmalen Spitzen, die ein LED-Panel aussendet.

Die Physik: die Empfindlichkeitskurve der Silizium-Fotodiode

Fast alle Solarmeter nutzen denselben Sensor: eine Silizium-Fotodiode. So eine Diode wandelt Licht in Strom um, aber nicht für jede Wellenlänge gleich effizient. Die Reaktion ist im Blauen niedrig, steigt durch den sichtbaren Bereich allmählich an und erreicht ihren Höhepunkt um 980 nm im Nahinfrarot. Danach fällt sie schnell ab.

Das bedeutet, dass dieselbe Lichtenergie je nach Farbe eine ganz unterschiedliche Anzeige ergibt. Licht mit 850 nm liefert ein etwa doppelt so starkes Signal wie Licht mit 500 nm.

Bei Sonnenlicht ist das kein Problem, denn der Hersteller kalibriert das Gerät auf die bekannte, breite spektrale Zusammensetzung der Sonne: Über- und Unterempfindlichkeit gleichen sich aus. Ein LED-Panel sendet kein breites Spektrum aus, sondern zwei schmale Spitzen, die genau dort liegen, wo die Diode am empfindlichsten ist. Der Ausgleich, den die Kalibrierung voraussetzt, findet nicht statt. Übrig bleibt reine Überschätzung.

Ein Laserleistungsmessgerät nutzt oft genau dieselbe Diodentechnik, aber mit einem Korrekturfaktor pro Wellenlänge oder einer Einstellung, in der Sie die Wellenlänge eingeben. Ein Solarmeter bietet keine solche Korrektur, was für sich schon zeigt, dass das Gerät nie für diesen Zweck gedacht war.

Die Zahlen aus einem kontrollierten Experiment

Der Hersteller GembaRed hat es nicht bei der Theorie belassen. Er kaufte ein neues Tenmars TM-206 (eines der billigsten und meistgenutzten Solarmeter dieser Branche) und schickte es an ein akkreditiertes photometrisches Labor. Dort wurde das Gerät neben ein professionelles Spektroradiometer gelegt, bei identischen Abständen und Bedingungen, über eine Reihe von Intensitäten.

Das Ergebnis in einem Satz: Das Solarmeter zeigt etwa doppelt so viel an, und der Fehler ist nicht linear.

Das deutlichste Beispiel ist die runde Zahl, die überall auf diesem Markt auftaucht. Eine Anzeige von 1000 W/m² auf dem Solarmeter sind 100 mW/cm², genau der Wert, den unzählige Marken auf ihre Produktseite schreiben. Korrigiert auf die Labormessung bleiben davon etwa 48,8 mW/cm² übrig.

Auch der obere Messbereich des Geräts ist aufschlussreich. Das Tenmars TM-206 kann maximal 199,9 mW/cm² anzeigen, was nach Korrektur etwa 92 mW/cm² entspricht. Wer mit diesem Gerät einen Wert über 100 mW/cm² behauptet, behauptet also eine Zahl, die das Instrument in Wirklichkeit nie belegen kann.

Warum der Fehler nicht linear ist

Wäre die Abweichung ein fester Faktor, könnte man ihn einfach herausrechnen, und Vergleiche untereinander würden noch stimmen. Das ist nicht der Fall: Die am besten passende Korrektur war ein Polynom, keine Gerade. Das Verhältnis zwischen Anzeige und Wirklichkeit ändert sich also mit der Höhe der Messung.

Das hat eine unangenehme Folge. Zwei Panels, die Sie mit demselben Solarmeter messen, lassen sich auch untereinander nicht zuverlässig vergleichen. Aussagen wie „doppelt so stark wie Marke X“ auf Basis von Solarmeter-Messungen können vollständig aus dieser Krümmung stammen und nichts über das tatsächliche Verhältnis aussagen.

Rot, Infrarot und ein hartnäckiges Missverständnis

Weil sich die Empfindlichkeit mit der Wellenlänge ändert, braucht es nicht eine, sondern drei Korrekturen: für nur Rot, für nur Infrarot und für die Mischung, die die meisten Panels aussenden. Im Experiment verhielten sie sich genau so, wie die Kurve es vorhersagt: Nur Rot weicht am wenigsten ab, nur Infrarot am meisten, und die Mischung liegt dazwischen.

Daraus folgt eine Korrektur einer Behauptung, die man regelmäßig liest: dass Infrarot-LEDs eine höhere Intensität liefern als rote LEDs. Das ist größtenteils ein Messartefakt. Die Infrarot-LEDs liegen höher auf der Empfindlichkeitskurve des Sensors, also zeigt das Gerät eine höhere Zahl, nicht weil mehr Licht da ist, sondern weil der Sensor empfindlicher dafür ist.

Was das Labor selbst dazu meinte

Das Labor, das den Vergleich durchführte, kam ungefragt zum selben Schluss: Die Unterschiede zu ihrem eigenen Spektroradiometer waren beträchtlich, und die getesteten Geräte sind laut ihnen zwar für Sonneneinstrahlung brauchbar, aber nicht für Rot und schon gar nicht für Nahinfrarot geeignet.

Dieses Urteil steht nicht allein. Es gibt durchaus Normen für die Lichtmessung, aufgestellt von Instituten wie NIST und IES, und akkreditierte Labore arbeiten damit. Das Problem ist nicht, dass die Messtechnik fehlt, sondern dass diese Branche sie nicht anwendet.

Ein netter Test: Die Zahl veröffentlichter Photobiomodulationsstudien, die die Dosis mit einem Solarmeter oder PAR-Messgerät bestimmt haben, ist null. Kein Forscher nutzt diese Geräte. Das macht es zu einem schnellen Test, um zu beurteilen, wie technisch versiert ein „Experte“ wirklich ist.

Selbst das Ablesen geht oft schief

Neben dem grundsätzlichen Problem gibt es Bedienfehler, die die Zahl weiter verzerren.

• Die falsche Einheit. Diese Geräte können auch in BTU pro Quadratfuß pro Stunde anzeigen. Steht das Gerät nicht auf W/m², ist die Zahl mit nichts vergleichbar, was Ihnen sonst begegnet.
• Der Messbereich. Bei hohen Intensitäten stößt das Gerät an seine Obergrenze, oder die Dezimalanzeige muss ausgeschaltet werden, um höhere Werte überhaupt anzeigen zu können.
• Drift ohne Nachkalibrierung. Professionelle Messgeräte werden alle ein bis zwei Jahre neu kalibriert. Bei Solarmetern passiert das nicht; ältere Exemplare messen systematisch etwas niedriger als neue. Zwei Menschen mit demselben Modell können also unterschiedliche Ergebnisse bekommen.
• Streulicht. Der Sensor sieht nicht nur das Panel, sondern auch, was von Wänden und Decke zurückgeworfen wird. Ein Labor misst in einer Umgebung, in der das ausgeschlossen ist.

Wie Sie ein Solarmeter trotzdem sinnvoll nutzen

Das Gerät ist nicht wertlos. Es ist nur ungeeignet für den Zweck, für den es eingesetzt wird: absolute Zahlen zu veröffentlichen, die mit Labormessungen vergleichbar wären. Es gibt drei Arten, wie es doch nützlich ist.

1. Mit einer Korrektur, die aus Labormessungen abgeleitet ist. Gleichen Sie ein bestimmtes Modell mit einer professionellen Messung über eine Reihe von Intensitäten ab, und Sie haben eine Korrekturkurve, die die Anzeige nah an die Wirklichkeit bringt. Diese Kurve gilt dann aber nur für dieses Modell, bei diesen Wellenlängen.
2. Als grobe Faustregel: durch zwei teilen. Wenig elegant, aber näher an der Wahrheit als die Anzeige selbst. Das gilt auch für Werbezahlen, bei denen Sie vermuten, dass sie mit einem Solarmeter entstanden sind.
3. Als Vergleich mit sich selbst über die Zeit. Messen Sie auf einem festen Abstand, halten Sie das Ergebnis als Nullmessung fest und wiederholen Sie es jedes halbe Jahr mit demselben Gerät. Der absolute Wert stimmt nicht, aber der Verlauf schon. Fällt der Wert deutlich, altern die LEDs. Das Kalibrierungsproblem hebt sich hier gegen sich selbst auf.

Es gibt noch eine praktische Anwendung: Bitten Sie eine Marke um ein Foto ihrer Messung, mit der Modellnummer des verwendeten Geräts und dem Abstand. Veröffentlicht sie Solarmeter-Messungen, können Sie diese selbst zurückrechnen. Sie müssen dafür nicht einmal ein Messgerät kaufen.

Was das für die kursierenden Zahlen bedeutet

Die Geschichte, dass man mehr als 100 mW/cm² für eine Wirkung brauche, wurde jahrelang von Marken und von Akteuren wiederholt, die an ihrem Verkauf verdienen. Wenn die tatsächliche Intensität fast all dieser Geräte bei etwa der Hälfte der beworbenen Zahl liegt, erreichen diese Geräte diese Schwelle selbst nicht, während Nutzer trotzdem Ergebnisse damit berichten.

Am anderen Ende der Skala gibt es ein Sicherheitsargument. In der klinischen Forschung zur Ganzkörper-Lichttherapie wurde nie mit mehr als etwa 50 mW/cm² am Menschen gearbeitet. Eine Marke, die mit der höchsten Intensität auf dem Markt wirbt, wirbt damit implizit mit einem Wert, für den es keine Forschung zu Sicherheit oder Wirksamkeit gibt.

Beide Seiten zeigen in dieselbe Richtung: Eine höhere Zahl ist kein Qualitätsmerkmal, und eine Zahl ohne Herkunft ist keine Zahl.

Weiterlesen

• Warum Bestrahlungsstärken von Rotlichttherapie-Lampen nicht stimmen: die vollständige Übersicht der Messprobleme, einschließlich des fehlenden Goldstandards

Wissenschaftliche Quellen

• Hadis u.a., The dark art of light measurement: accurate radiometry for low-level light therapy, Lasers in Medical Science. Warnt ausdrücklich vor dem Einsatz von Silizium-Fotodioden-Messgeräten für diese Anwendung.
• Normen für die Lichtmessung: NIST und IES