Физики обещают планете световую революцию

Многие знают, что современные светодиоды эффективнее ламп накаливания, а некоторые модели могут поспорить с лампами дневного света. Но когда очередная группа сообщает ещё об одном "новом источнике, лучше прежнего", люди обычно зевают и говорят: "Отлично. Сэкономим ещё несколько ватт, и что дальше?" А дальше вырисовывается занятная перспектива, сулящая пересмотр многих аспектов жизни цивилизации.

Почти два триллиона долларов — столько сэкономят Земле новые светодиоды за следующие 10 лет, при условии широкого их внедрения. В энергетических же единицах экономия выразится в 18,3 тераватт-часа. Сокращение выбросов CO2 за это "светодиодное" десятилетие составит 11 гигатонн, а потребления нефти — почти миллиард баррелей. И 280 среднестатистических электростанций можно будет закрыть.

Да, с размахом подошли к прогнозу будущего твердотельных систем освещения профессора Чон Кхю Ким (Jong Kyu Kim) и Фред Шуберт (E. Fred Schubert) из политехнического института Ренсселера (Rensselaer Polytechnic Institute). Они попробовали выйти за рамки экономии электричества "для одного дома" и представить, каким будет наш мир, в котором светодиоды (LED) получат куда большее распространение, чем имеется ныне. А главное, они посчитали, каких технических высот нам следует ждать от тех же светодиодов в ближайшие годы.

В 2005 году трубу электростанции в бельгийском Дрогенбосе (Drogenbos) украсили 8 тысячами "пикселями" с возможностью компьютерной настройки цвета. Инсталляция послужила прекрасным примером применения светодиодов в архитектуре. Распространение же подобных световых приборов как повседневных источников света на улицах – впереди (фотографии с сайтов mediaarchitecture.org и nait5.wordpress.com).

В последнее время широкие массы в ответ на "заклинания зелёных" кинулись скупать компактные флуоресцентные лампы (по принципу действия аналогичные "длинным" трубкам дневного света, работающим повсеместно в общественных местах). Светодиоды же пока пребывают в тени, главным образом по причине чрезмерно высокой стоимости. Но это — дело временное. А вот потенциальная способность светодиодов существенно обойти лучшие люминесцентные лампочки в КПД — заслуживает рассмотрения.

Сразу скажем, светодиоды, работающие как индикаторы, составные части дисплеев или всяческого рода оптоэлектронных устройств, — на баланс энергии в мире практически никакого влияния не оказывают. Светодиодное же освещение способно буквально изменить его.

По прогнозу Кима и Шуберта, в ближайшие годы мы станем свидетелями настоящей революции в этой области. Тогда-то мы вспомним чудака-изобретателя Кеймена, сделавшего недавно свой личный остров энергонезависимым и сократившего его расход энергии наполовину, потратив на то, однако, большие средства.

Комфортная для глаз цветовая температура и высокая яркость делают современные белые светодиоды удобными источниками света как для квартир, так и для офисов, магазинов, улиц. Если бы не цена... (фото Rensselaer/Kim, Schubert)

В своей работе, опубликованной в журнале Optics Express, Чон и Фред пишут о "парадигме замены" (то есть тотальной замене ламп накаливания на светодиоды), что можно также интерпретировать как замену парадигмы. Дело в том, что по достижении какой-то критической массы разработки в области светодиодов "взорвутся" не просто количественным, но качественным изменением жизни.

Как вам, скажем, сокращение расхода электричества на освещение домов, квартир и улиц в 13-17 раз?

Поневоле представишь, как города и веси обзаводятся ветряками и солнечными панелями и говорят централизованным электросетям "Прощай!". Без сильного роста КПД систем освещения о такой независимости и думать нечего — слишком получится накладно.

Об этом аспекте стоит сказать детальнее. Эффективность осветительных приборов учёные из Ренсселера приводят такую: хорошие лампы накаливания — 16 люмен на ватт, компактные флуоресцентные — 64 (то есть разница, как видим, четырёхкратная), длинные трубки дневного света — 80. Мы же добавим, что КПД современных массовых светодиодов, предназначенных именно для освещения, находится где-то в районе между компактными и "длинными" лампами дневного света (но тут параметры сильно зависят от конкретной модели — вот яркий пример).

Между тем теоретический предел для светодиодов учёные определили как 320 люмен на ватт, а реально достижимый параметр на ближайшие годы — 213! (Во всех случаях рассматриваются так называемые настоящие белые светодиоды, необходимые для домашнего освещения, так как цветные — ещё эффективнее.)

Развитие технологии освещения. По вертикали отложена эффективность в люменах на ватт, по горизонтали – годы (иллюстрация Rensselaer/Kim, Schubert).

Остаётся только сделать так, чтобы приборы эти были ещё и не слишком дорогими. И тогда нынешняя реклама компактных люминесцентных лампочек ("Граждане, сократите свои расходы на освещение квартиры на 80%!") покажется несерьёзной. Вот раз в 17 (это если сравнивать с самыми простыми лампами накаливания) — это да, это действительно тот случай, когда "количество переходит в качество".

Обзор ренсселеровцев по технологиям, материалам и цепочкам преобразования энергии в белых светодиодах, так же как и вопросы их приближения к естественному спектру, будут интересны лишь спецам. Нам же важнее другое. Совпадение или нет — сама жизнь подтверждает правоту прогноза учёных.



Цветные светодиоды широко применяются и давно не вызывают удивления, между тем их собратья, выдающие белый поток, пока ещё не столь известны (фото Rensselaer/Kim, Schubert).

 
Так, в прошлом месяце американская компания Cree, один из лидеров в данной отрасли, сообщила о создании прототипа белого светодиода с эффективностью в 161 люмен на ватт, что в десять раз выше, чем у среднестатистической лампы накаливания! Между тем серийные светодиоды "осветительного" класса от разных компаний уже перешагнули за порог в 100 люмен на ватт.

Красота, но когда же снизят цены? Тут нужно сказать, что в "светодиодной науке" в последние годы происходит много чего интересного. Учёные вовсю экспериментируют с новыми материалами.

Вот, как на заказ, из университета Дюка (Duke University) поведали на днях об опыте, открывающем дорогу к созданию очень эффективных и одновременно недорогих светодиодов с почти "идеальным" белым излучением.

Нужно пояснить, что белые светодиодные светильники делают по двум технологиям: либо ставят рядом три крошечных светодиода с красными, зелёными и синими лучами, получая "псевдобелый" свет; либо берут светодиод, выдающий ультрафиолетовый (иногда — голубой) поток, и покрывают его слоем люминофора, преобразующего это излучение в белый свет, более-менее близкий к природному (дневному).

Исследователи из университета Дюка подсвечивали свой материал на основе оксида цинка ультрафиолетовым лазером, и получили яркий поток с широким спектром, практически белый (с максимумом в зелёной области) (фото Duke University/John Foreman).

Первый подход слабо распространён и дорог (конструкция должна предусматривать умный контроль за балансом базовых цветов). И всё равно — это не то же самое, что настоящий белый. Второй же светодиод обладает меньшей эффективностью (тут есть лишние преобразования энергии и лишние потери). А ещё — в состав его люминофора входит сложный композит, содержащий среди прочего иттрий и церий. Это одна из причин дороговизны осветительных белых светодиодов.

Так вот, физики из Дюка открыли, что ультратонкий порошок оксида цинка (компонент детских присыпок) с добавкой в нужной пропорции серы при условии формирования правильной наноструктуры может эффективно (с КПД 80%) трансформировать ультрафиолет в очень яркий и чистый белый свет. При этом в выходном излучении белый компонент оказался в 1000 раз ярче ультрафиолетового.

Это исследование финансировали американские военные, желающие получить надёжные и эффективные источники света (дабы экономно расходовать запас энергии в батареях в условиях поля боя). Но, понятно, военным применением потенциальная новинка не ограничится.



Центр Рокфеллера в Нью-Йорке обзавёлся холлом с "интеллигентным" светодиодным освещением (фотографии с сайта mediaarchitecture.org).

И это только один свежий пример. Бурное развитие фотоники может вообще перевернуть наше представление об источниках света. Скажем, внутреннюю квантовую эффективность белых светодиодов (это один из важнейших сомножителей, определяющих полный КПД светильника) в экспериментальных образцах учёные уже довели почти до 100%. Ещё бы подтянуть другие составляющие...

А ведь есть иные необычные замены традиционным осветительным приборам, также сулящие многократную экономию электричества и тоже способные со временем подешеветь: гибкие органические светодиодные панели, гибридные светодиоды, микроплазма, светоизлучающая керамика и микроволновые преобразователи.



Светодиодное освещение в целом доме ныне обойдётся в довольно круглую сумму. Если вам на ум приходят дешёвые светодиоды для карманных фонариков, подумайте, сколько их потребуется, чтобы нормально освещать комнаты. Так что об экономии на счетах за электричество придётся говорить только как о приятном "бонусе". Его следует считать приложением, а главным – приобщение владельца такого дома к современным технологиям и борьбе за "сохранение зелёной планеты" (фото с сайта intl-lighttech.com).

Ким и Шуберт пишут, что распространение светодиодов должно пойти намного дальше простых домашних ламп. Твердотельные излучатели способны изменить окружающую нас техногенную среду. Ведь в различных светодиодах можно с высокой точностью контролировать спектр, параметры расхождения пучка света, его поляризацию, колебания излучения по времени. В общем — почти всё.



Современный белый светодиод (фото Cree).
 
А это значит, что при содействии светодиодов можно лечить ряд заболеваний и проводить любопытные научные опыты, подстёгивать рост растений в нетипичных для них условиях (как по географии, так и по сезонам) и создавать интерактивные безопасные дороги, корректировать циркадные ритмы человека, принимающего лекарства с "сонливым" эффектом, и так далее. С такой гибкостью настроек — открыты все пути.

Всё это вместе учёные назвали "умное освещение", а чтобы красивые слова не расходились с делом, институт Ренсселера совместно с университетами Бостона (Boston University) и Нью-Мексико (University of New Mexico) создал исследовательский центр — Smart Lighting Research Center.

На воплощение светодиодных грёз Национальный научный фонд (NSF) выделил партнёрам $18,5 миллиона на следующие пять лет. Потому "оду светодиодам" профессоров Ренсселера можно считать анонсом будущих побед центра.

А поскольку данной темой занимаются далеко не только в упомянутых университетах и институтах, — грядущую "смену парадигмы" можно считать делом решённым. Уйдёт ли на это 10 лет, или несколько больше — другой вопрос.