Сверхяркие светодиоды — технологическая революция в электрическом освещении

Многие знают, что современные светодиоды эффективнее ламп накаливания, а некоторые модели могут поспорить с лампами дневного света. Но редко кто задумывается о том, какие изменения сулят нам эти технологии.

Обещанный рай

Почти два триллиона долларов — столько сэкономят землянам 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 потребление нефти сократится почти на миллиард баррелей. И 280 среднестатистических электростанций можно будет закрыть.

Да, с размахом подошли к прогнозу будущего твердотельных систем освещения профессора Чон Кхю Ким и Фред Шуберт из политехнического института Ренсселера. Они попробовали выйти за рамки экономии электричества «для одного дома» и представить, каким будет наш мир, в котором светодиоды 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 последнее время широкие массы в ответ на «заклинания зеленых» кинулись скупать компактные флуоресцентные лампы. 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. Конечно светодиоды, работающие как индикаторы, составные части дисплеев или всяческого рода оптоэлектронных устройств, — на баланс энергии в мире практически никакого влияния не оказывают. Но освещение, основанное на этом принципе, способно буквально изменить его.

Революция грядет

По прогнозу Кима и Шуберта, в ближайшие годы мы станем свидетелями настоящей революции в этой области. 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.

Эффективность осветительных приборов ученые из Ренсселера приводят такую : хорошие лампы накаливания — 16 люмен на ватт, компактные флуоресцентные — 64 (то есть разница, как видим, четырехкратная), 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. Между тем теоретический предел для светодиодов ученые 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 — еще эффективнее).

Спасает детская присыпка

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. Ученые вовсю экспериментируют с новыми материалами. Нужно пояснить, что белые светодиодные светильники делают по двум технологиям: либо ставят рядом три крошечных светодиода с красными, зелеными 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.

Первый подход слабо распространен и дорог. И все равно — это не то же самое, что настоящий белый. Второй же светодиод обладает меньшей эффективностью. А еще — в состав его люминофора входит сложный композит, содержащий среди прочего иттрий и церий. Это одна из причин дороговизны осветительных белых светодиодов.

Но недавно 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 трансформировать ультрафиолет в очень яркий и чистый белый свет. При этом в выходном излучении белый компонент оказался в 1000 раз ярче ультрафиолетового.

Уже сегодня

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 все.

При содействии светодиодов можно лечить ряд заболеваний и проводить любопытные научные опыты, подстегивать рост растений в нетипичных для них условиях и создавать интерактивные безопасные дороги.

А это значит, что при содействии светодиодов можно лечить ряд заболеваний и проводить любопытные научные опыты, подстегивать рост растений в нетипичных для них условиях и создавать интерактивные безопасные дороги, и так далее. С такой гибкостью настроек — открыты все пути. Все это вместе ученые назвали «умное освещение», а чтобы красивые слова не расходились с делом, институт Ренсселера совместно с университетами Бостона и Нью-Мексико создал исследовательский центр — Smart Lighting Research Center.

На воплощение светодиодных грез Национальный научный фонд уже выделил партнерам $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 решенным. Уйдет ли на это 10 лет, или несколько больше — другой вопрос.