Физики обещают планете световую революцию

Многие знают, что современные светодиоды действеннее ламп накаливания, а кое-какие модели смогут поспорить с лампами дневного света. Но в то время, когда очередная несколько информирует ещё об одном «новом источнике, лучше прошлого», люди в большинстве случаев зевают и говорят: «Превосходно. Сэкономим ещё пара ватт, и что дальше?» А дальше вырисовывается занятная возможность, сулящая пересмотр многих качеств судьбы цивилизации.

Практически два триллиона долларов — столько сэкономят Почва 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 — около миллиарда баррелей.

И 280 среднестатистических электростанций возможно будет закрыть.

Да, с размахом подошли к прогнозу будущего твердотельных совокупностей освещения доктора наук Чон Кхю Ким (Jong Kyu Kim) и Фред Шуберт (E. Fred Schubert) из политехнического университета Ренсселера (Rensselaer Polytechnic Institute). Они попытались выйти за рамки экономии электричества «для одного дома» и представить, каким будет отечественный мир, в котором светодиоды (LED) возьмут куда большее распространение, чем имеется сейчас.

А основное, они посчитали, каких технических высот нам направляться ожидать от тех же светодиодов в ближайщее время.

Физики обещают планете световую революцию

В 2005 году трубу электростанции в бельгийском Дрогенбосе (Drogenbos) украсили 8 тысячами «пикселями» с возможностью компьютерной настройки цвета. Инсталляция послужила красивым примером применения светодиодов в архитектуре.

Распространение же аналогичных световых устройств как повседневных источников света на улицах – впереди (фотографии с сайтов mediaarchitecture.org и nait5.wordpress.com).

Сейчас широкие веса в ответ на «заклинания зелёных» нужно будет скупать компактные флуоресцентные лампы (по принципу действия подобные «долгим» трубкам дневного света, трудящимся везде в публичных местах). Светодиоды же до тех пор пока пребывают в тени, в основном по обстоятельству чрезмерно большой стоимости. Но это — дело временное.

А вот потенциальная свойство светодиодов значительно обойти лучшие люминесцентные лампочки в КПД — заслуживает рассмотрения.

Сходу скажем, светодиоды, трудящиеся как индикаторы, составные части дисплеев либо всяческого рода оптоэлектронных устройств, — на баланс энергии в мире фактически никакого влияния не оказывают. Светодиодное же освещение способно практически поменять его.

Согласно расчетам Шуберта и Кима, в ближайщее время мы станем свидетелями настоящей революции в данной области. Тогда-то мы отыщем в памяти чудака-изобретателя Кеймена, сделавшего сравнительно не так давно собственный персональный остров энергонезависимым и сократившего его расход энергии наполовину, израсходовав на то, но, громадные средства.

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

В собственной работе, размещённой в издании Optics Express, Фред и Чон пишут о «парадигме замены» (другими словами тотальной замене ламп накаливания на светодиоды), что возможно кроме этого трактовать как замену парадигмы. Дело в том, что по достижении какой-то критической массы разработки в области светодиодов «взорвутся» не просто количественным, но качественным трансформацией судьбы.

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

Невольно представишь, как города и веси обзаводятся солнечными панелями и ветряками и говорят централизованным электрическим сетям «Прощай!». Без сильного роста КПД совокупностей освещения о таковой независимости и думать нечего — через чур окажется накладно.

Об этом нюансе стоит сообщить детальнее. Эффективность осветительных устройств учёные из Ренсселера приводят такую: хорошие лампы накаливания — 16 люмен на ватт, компактные флуоресцентные — 64 (другими словами отличие, как видим, четырёхкратная), долгие трубки дневного света — 80. Мы же добавим, что КПД современных массовых светодиодов, предназначенных как раз для освещения, находится где-то в районе между компактными и «долгими» лампами дневного света (но тут параметры во многом зависят от конкретной модели — вот хороший пример).

В это же время теоретический предел для светодиодов учёные выяснили как 320 люмен на ватт, а реально достижимый параметр на ближайшие годы — 213! (В любых ситуациях рассматриваются так именуемые настоящие белые светодиоды, нужные для домашнего освещения, поскольку цветные — ещё действеннее.)

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

Остаётся лишь сделать так, дабы устройства эти были ещё и не через чур дорогими. И тогда нынешняя реклама компактных люминесцентных лампочек («Граждане, сократите собственные затраты на освещение квартиры на 80%!») покажется несерьёзной. Вот раз в 17 (это в случае если сравнивать с самыми несложными лампами накаливания) — это да, это вправду тот случай, в то время, когда «количество переходит в уровень качества».

Обзор ренсселеровцев по разработкам, цепочкам и материалам преобразования энергии в белых светодиодах, так же как и вопросы их приближения к естественному спектру, будут занимательны только спецам. Нам же ответственнее второе. Совпадение либо нет — сама жизнь подтверждает правоту прогноза учёных.

Цветные светодиоды активно используются и в далеком прошлом не приводят к, в это же время их собратья, выдающие белый поток, пока ещё не столь известны (фото Rensselaer/Kim, Schubert).

Так, в прошлом месяце американская компания Cree, один из фаворитов в данной отрасли, сказала о создании прототипа белого светодиода с эффективностью в 161 люмен на ватт, что вдесятеро выше, чем у среднестатистической лампы накаливания! В это же время серийные светодиоды «осветительного» класса от различных компаний уже перешагнули за порог в 100 люмен на ватт.

Красота, но в то время, когда же опустят цены? Тут необходимо заявить, что в «светодиодной науке» сейчас происходит большое количество чего занимательного. Учёные вовсю экспериментируют с новыми материалами.

Вот, как на заказ, из университета Дюка (Duke University) поведали пару дней назад об опыте, открывающем дорогу к созданию весьма действенных и одновременно недорогих светодиодов с практически «совершенным» белым излучением.

Необходимо пояснить, что белые светодиодные светильники делают по двум разработкам: или ставят рядом три маленьких светодиода с красными, зелёными и светло синий лучами, приобретая «псевдобелый» свет; или берут светодиод, выдающий ультрафиолетовый (время от времени — светло синий) поток, и покрывают его слоем люминофора, преобразующего это излучение в белый свет, более-менее близкий к природному (дневному).

Исследователи из университета Дюка подсвечивали собственный материал на базе оксида цинка ультрафиолетовым лазером, и взяли броский поток с широким спектром, фактически белый (с максимумом в зелёной области) (фото Duke University/John Foreman).

Первый подход слабо распространён и дорог (конструкция обязана предусматривать умный контроль за балансом базисных цветов). И всё равняется — это не то же самое, что настоящий белый. Второй же светодиод владеет меньшей эффективностью (тут имеется лишние лишние потери и преобразования энергии). А ещё — в состав его люминофора входит сложный композит, содержащий среди другого церий и иттрий.

Это одна из обстоятельств 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 верной наноструктуры может действенно (с КПД 80%) трансформировать ультрафиолет в весьма броский и чистый белый свет. Наряду с этим в выходном излучении белый компонент был в 1000 раз бросче ультрафиолетового.

Это изучение финансировали американские армейские, желающие взять надёжные и действенные источники света (чтобы экономно расходовать запас энергии в батареях в условиях поля боя). Но, ясно, армейским применением потенциальная новинка не ограничится.

Центр Рокфеллера в Нью-Йорке обзавёлся холлом с «культурным» светодиодным освещением (фотографии с сайта mediaarchitecture.org).

И это лишь один свежий пример. Бурное развитие фотоники может по большому счету перевернуть отечественное представление об источниках света. Скажем, внутреннюю квантовую эффективность белых светодиодов (это один из наиболее значимых сомножителей, определяющих полный КПД светильника) в экспериментальных примерах учёные уже довели практически до 100%.

Ещё бы подтянуть другие составляющие…

А ведь имеется иные необыкновенные замены классическим осветительным устройствам, кроме этого сулящие многократную экономию электричества и также талантливые со временем подешеветь: эластичные органические светодиодные панели, гибридные светодиоды, микроплазма, микроволновые преобразователи и светоизлучающая керамика.

Светодиодное освещение в целом доме сейчас обойдётся в достаточно круглую сумму. В случае если вам на ум приходят недорогие светодиоды для карманных фонариков, поразмыслите, сколько их потребуется, дабы нормально освещать помещения.

Так что об экономии на квитанциях за электричество нужно будет говорить лишь как о приятном «бонусе». Его нужно считать приложением, а главным – приобщение обладателя для того чтобы дома к борьбе и современным технологиям за «сохранение зелёной планеты» (фото с сайта intl-lighttech.com).

Шуберт и Ким пишут, что распространение светодиодов должно пойти намного дальше несложных домашних ламп. Твердотельные излучатели способны поменять окружающую нас техногенную среду. Так как в разных светодиодах возможно с высокой точностью осуществлять контроль спектр, параметры расхождения пучка света, его поляризацию, колебания излучения по времени.

В общем — практически всё.

Современный белый светодиод (фото Cree).

А это значит, что при содействии светодиодов возможно лечить последовательность болезней и проводить интересные научные испытания, подстёгивать рост растений в нетипичных для них условиях (как по географии, так и по сезонам) и создавать интерактивные надёжные дороги, корректировать циркадные ритмы человека, принимающего лекарства с «сонливым» эффектом, и без того потом. С таковой гибкостью настроек — открыты все пути.

Всё это совместно учёные назвали «умное освещение», а дабы прекрасные слова не расходились с делом, университет Ренсселера совместно с университетами Бостона (Boston University) и Нью-Мексико (University of New Mexico) создал исследовательский центр — Smart Lighting Research Center.

На воплощение светодиодных мечт Национальный научный фонд (NSF) выделил партнёрам $18,5 миллиона на следующие пять лет. Потому «оду светодиодам» докторов наук Ренсселера можно считать анонсом будущих побед центра.

А потому, что данной темой занимаются далеко не только в упомянутых институтах и университетах, — будущую «смену парадигмы» можно считать делом решённым. Уйдёт ли на это 10 лет, либо больше — второй вопрос.

Квант/ Квантовая физика/ Постоянная Планка


Темы которые будут Вам интересны: