Irgendwann, meist in einem dunklen Schlafzimmer, wenn Sie Ihr Handgelenk drehen, um nach der Uhrzeit zu sehen, beschließt Ihre Smartwatch ein kleines Science-Fiction-Experiment zu inszenieren. Die Rückseite des Gehäuses erwacht flackernd zum Leben und taucht Ihre Haut in ein unheimliches grünes Licht, als hätte Ihre Elle einen VIP-Tisch in einem Nachtclub reserviert.

Es sieht ein wenig beunruhigend und leicht radioaktiv aus – und sobald man es einmal bemerkt hat, kann man es unmöglich ignorieren. Warum also verwenden Smartwatches grünes Licht und nicht blaues, rotes oder etwas, das weniger an ein Lichtschwert erinnert?

Die Antwort liegt zur Hälfte in der Biologie und zur Hälfte in der Technik – gepaart mit einer Prise Sorge um den Akku.

Die blinkenden Lichter auf der Rückseite einer Smartwatch dienen nicht der Dekoration. Sie sind der aktive Teil eines optischen Herzfrequenzsensors – eines kleinen Labors, das Ihren Puls und zunehmend auch Ihre Herz-Kreislauf-Gesundheit überwacht.

Moderne Smartwatches messen die Herzfrequenz mithilfe eines Verfahrens, dessen Bezeichnung wohl nur Forschende begeistern kann: Photoplethysmografie. Das zugrunde liegende Prinzip ist glücklicherweise einfach. Die Smartwatch strahlt Licht in die Haut und misst anschließend, wie viel davon zurückgeworfen wird. Mit jedem Herzschlag steigt und fällt das Blutvolumen in den mikroskopisch kleinen Gefäßen unter dem Sensor. Das Blut absorbiert einen Teil des Lichts, sodass sich die Lichtmenge, die zu den Fotodioden zurückkehrt, mit jedem Herzschlag verändert. Wird dieses Muster in eine Wellenform umgewandelt, lässt sich daraus der Puls ablesen.

Man kann sich das wie ein äußerst höfliches Zusammenspiel von Taschenlampe und Spiegel vorstellen. Die LEDs dienen dabei als Taschenlampe. Die Blutgefäße sind der Spiegel, der im Takt Ihres Herzens ständig seine Form verändert. Die Fotodioden erfassen den Unterschied zwischen „mehr Licht“ und „weniger Licht“ und rechnen ihn in Herzschläge pro Minute um.

So weit, so elegant. Interessant ist, warum so viele dieser Lichtquellen grün sind und nicht irgendeine andere verfügbare Farbe haben.

Blut ist nicht ohne Grund rot. Hämoglobin, das Protein, das Sauerstoff transportiert, absorbiert bestimmte Wellenlängen des Lichts und reflektiert andere. Rotes Licht wird stärker reflektiert, weshalb Blut und – wenig erfreulich – offene Wunden so aussehen, wie sie aussehen. Grünes Licht hingegen wird deutlich stärker absorbiert. Die Entwickler von Smartwatches machen sich diese Besonderheit zunutze.

Richtet man grünes Licht auf gut durchblutete Haut, verhält sich das Hämoglobin wie ein übereifriger Gast an einer kostenlosen Bar. Es saugt die Photonen geradezu begierig auf. Zwischen den Herzschlägen, wenn sich etwas weniger Blut in diesen winzigen Gefäßen befindet, wird mehr Licht zurückgeworfen. Während eines Herzschlags, wenn die Arterien und Kapillaren durch das einströmende frische Blut anschwellen, kehrt weniger Licht zurück, weil mehr davon absorbiert wird. Dieser Wechsel zwischen starker und schwacher Reflexion liefert der Uhr ein klares, deutliches Pulssignal.

Auch die Eindringtiefe spielt eine Rolle. Grünes Licht dringt im Vergleich zu rotem oder infrarotem Licht nicht sehr tief in das Gewebe ein. Stattdessen interagiert es hauptsächlich mit oberflächennahen Kapillaren. Für ein am Handgelenk getragenes Gerät ist das keine Einschränkung, sondern ein Vorteil. Die Uhr benötigt Informationen über die oberflächlichen Gefäße und nicht über die tiefer liegenden Gefäßstrukturen, denn diese oberflächlichen Gefäßnetze liefern eine klare, kontrastreiche Momentaufnahme jedes Herzschlags. Studien, in denen verschiedene Wellenlängen verglichen werden, kommen immer wieder zu dem Ergebnis, dass von der Hautoberfläche reflektiertes grünes Licht bei dieser Anordnung ein ausgezeichnetes Signal für die Überwachung der Pulsfrequenz liefert.

Dann wäre da noch die Sache mit der Bewegung. Das Handgelenk ist alles andere als ruhig. Beim Gehen schwingt man es, beim Heben dreht man es, und manchmal stößt man damit versehentlich irgendwo an. All das verursacht Störungen im optischen Signal. Grünes Licht erweist sich bei der reflektierenden Messanordnung, die in Wearables für Verbraucher zum Einsatz kommt, gegenüber rotem oder infrarotem Licht mit jeweils nur einer Wellenlänge als etwas unempfindlicher gegen dieses Chaos. Deshalb setzen die meisten gängigen Geräte bei der alltäglichen Herzfrequenzmessung darauf, insbesondere beim Training.

Und hinter den biologischen Aspekten verbirgt sich etwas, das Ingenieure noch mehr überzeugt: Grüne LEDs sind kostengünstig, ausgereift und effizient. Sie lassen sich mit relativ wenig Energie betreiben und erzeugen dennoch ein ausreichend starkes Signal, das der Sensor erfassen kann. Dadurch bleibt das Modul kompakt und die Akkulaufzeit in einem vernünftigen Rahmen.

Grünes Licht erfüllt also gleich drei Aufgaben auf einmal. Es liefert ein starkes, deutliches Pulssignal, interagiert optimal mit den Bereichen des Blutkreislaufs, die die Uhr tatsächlich erfassen kann, und schont dabei den Akku, sodass er nicht schon bis zur Mittagspause leer ist.

Wenn Sie sich die Rückseite einer hochwertigen Smartwatch genau ansehen, entdecken Sie neben den grünen möglicherweise noch weitere LEDs. Meist sind sie rot. Manchmal handelt es sich um tiefer eindringendes, nahezu unsichtbares Infrarotlicht. Die Uhr sorgt damit nicht etwa für Festbeleuchtung, sondern wechselt das Messverfahren.

Grünes Licht eignet sich hervorragend zur Messung der Herzfrequenz an der Hautoberfläche. Bei der Messung des Blutsauerstoffs – dem bekannten SpO₂-Wert, der angeben soll, wie gut das Hämoglobin den Sauerstoff bindet – stellt sich die Aufgabe jedoch anders dar. Sauerstoffreiches und sauerstoffarmes Hämoglobin absorbieren rotes und infrarotes Licht unterschiedlich, insbesondere etwas tiefer im Gewebe. Geräte machen sich dies zunutze, indem sie Licht mit zwei verschiedenen Wellenlängen in die Haut strahlen und vergleichen, wie viel davon jeweils zurückgeworfen wird. Anhand des Verhältnisses können sie die Sauerstoffsättigung auf eine Weise schätzen, die in etwa der Messung mit einem herkömmlichen Fingerpulsoximeter entspricht.

Infrarot hat noch einen weiteren unauffälligen Vorteil: Es fällt weniger auf. Smartwatches können Infrarot-LEDs für energiesparende Herzfrequenzmessungen im Hintergrund und andere passive Überwachungsfunktionen nutzen, ohne dass das Handgelenk alle paar Minuten wie eine kleine Diskothek aufleuchtet. Apple verwendet beispielsweise grüne LEDs für aktive, hochpräzise Messungen, wenn diese angefordert oder ein Training gestartet wird, und Infrarot für diskretere regelmäßige Messungen im Hintergrund.

Researchers are increasingly enthusiastic about mixing and matching all three colours. Multi-wavelength photoplethysmography trunk of a phrase, essentially means that the watch shines green, red and infrared, then lets algorithms disentangle a richer set of information about blood flow, arterial stiffness and other cardiovascular metrics that make doctors very excited and most normal people slightly tired.

Bei all seinen Vorzügen ist grünes Licht nicht frei von Schwächen, und die Branche hat endlich begonnen, dies auch offen einzugestehen.

Die Haut ist optisch nicht neutral. Melanin, das für den Hautton verantwortliche Pigment, absorbiert ebenfalls Licht, wobei diese Absorption im grünen Bereich des Spektrums besonders ausgeprägt ist. In der Praxis bedeutet das, dass eine Uhr, deren grüne LEDs in dunklere Haut leuchten, möglicherweise ein schwächeres, stärker verrauschtes Signal empfängt als bei hellerer Haut. Denn ein größerer Teil des Lichts wird absorbiert, bevor es überhaupt die Blutgefäße erreicht, und auch auf dem Rückweg geht mehr vom reflektierten Licht verloren.

Mehrere Studien und Übersichtsarbeiten der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass die Genauigkeit der Herzfrequenzmessung mittels PPG am Handgelenk bei dunkleren Hauttönen geringer sein kann, insbesondere bei intensiver Bewegung. Das Problem besteht nicht darin, dass die Technologie völlig versagt, sondern darin, dass die Fehlerspanne größer wird. Messwerte können verzögert angezeigt werden oder abweichen, bei Trainingseinheiten können leicht unplausible Spitzen- oder Tiefstwerte auftreten, und die Zuverlässigkeit der geräteeigenen Messungen nimmt unmerklich ab.

Die Hersteller im professionellen Marktsegment haben darauf auf zweierlei Weise reagiert. Erstens: mehr Farben. Die Kombination von Grün mit Rot und Infrarot trägt dazu bei, die unterschiedliche Wechselwirkung verschiedener Wellenlängen mit Melanin und Blut auszugleichen. Zweitens: bessere Software. Neuere Algorithmen versuchen, Hautfarbe, Bewegung und Unterschiede in der Durchblutung ausdrücklich zu berücksichtigen. Dabei filtern sie mehr Störsignale heraus und ziehen frühere Messwerte sowie den Kontext heran, um zu entscheiden, welchen Datenpunkten sie vertrauen können. Das ist weder Zauberei noch perfekt, aber zumindest ein Eingeständnis, dass „eine LED für alle“ niemals der Weisheit letzter Schluss sein konnte.

Wenn Sie eine dunklere Hautfarbe haben und feststellen, dass Ihre Uhr bei Sprints manchmal andere Werte als ein Brustgurt anzeigt, bilden Sie sich das nicht ein. Die Branche versucht langsam, aufzuholen.

Aus Nutzersicht ist das grüne Licht auf der Rückseite einer Smartwatch schlicht das optische Pendant zu einem Stethoskop. So überwacht das Gerät Ihr Herz, ohne auf Kabel und Elektroden zurückgreifen zu müssen. Dass es dabei wie ein Nachtclub für Ameisen aussieht, ist nur eine Begleiterscheinung.

Wenn Sie ein Training starten und spüren, wie die Uhr auf Ihrer Haut etwas wärmer wird, pulsieren diese grünen LEDs in schneller Folge, um möglichst viele Daten zu erfassen. Während eines Tages am Schreibtisch leuchten sie möglicherweise nur gelegentlich in kurzen Intervallen auf, um Ihren Ruhepuls und langfristige Trends auf dem neuesten Stand zu halten. Nachts können sie je nach Einstellung mehrere Stunden lang in geringer Frequenz Messungen durchführen, um die Schlafphasen zu schätzen, während rote LEDs oder Infrarotsensoren zur Messung der Sauerstoffsättigung eingesetzt werden.

All das funktioniert, unabhängig davon, ob sich Ihr Smartphone in der Nähe befindet. Das Smartphone übernimmt größere Aufgaben wie die Aufzeichnung von GPS-Routen, die Synchronisierung von Diagrammen, das Weiterleiten von Benachrichtigungen und das Hochladen von Daten in Apps, doch der Sensor selbst benötigt es nicht. Die meisten Uhren können Ihre Herzfrequenz direkt vor Ort weiter messen, speichern und anzeigen – wie ein kleines, eigenständiges Labor an Ihrem Handgelenk. Erst später, wenn Sie wieder in Bluetooth-Reichweite kommen oder eine WLAN-Verbindung herstellen, wird alles ordentlich in der Langzeitaufzeichnung abgelegt.

Wenn Sie das Leuchten im Dunkeln als störend empfinden, können Sie bei den meisten Uhren die kontinuierliche Messung einschränken oder bestimmte Funktionen deaktivieren – allerdings werden dann weniger häufig Daten erfasst. Wenn Sie unter dem Sensor Abdrücke auf der Haut bemerken, ist das Armband meist zu eng, oder die LEDs versuchen aufgrund eines nicht optimalen Sitzes zu lange, ein Signal zu erfassen. Die Technik ist ausgeklügelt, doch auch für sie gilt die alte Schneiderregel: eng anliegend, aber nicht einschnürend.

Entscheidend ist, dass das grüne Licht nicht bloß der Optik dient. Es ist die sichtbare Spitze eines ganzen optischen Systems, das darauf ausgelegt ist, fortlaufend abzuschätzen, was Ihr Herz gerade tut. Seine Farbe ist eine Entscheidung, die auf den ungünstigen Eigenschaften des Hämoglobins, der Gewebeoptik, Bewegungsartefakten und der Batteriechemie beruht – und nicht auf dem Geschmack eines gelangweilten Designers.

Im Grunde tragen Sie ein winziges Forschungsprojekt am Handgelenk. Eines, das ganz nebenbei die Uhrzeit anzeigt, den Kaffee bezahlt und Sie gelegentlich daran erinnert, aufzustehen. Das grüne Flackern ist lediglich der Moment, in dem die Wissenschaft hinter all dem kurz sichtbar wird.