# Да, будет свет

Леонид Александрович Ашкинази

Да, будет свет


Человечество создало несколько типов источников света, работающих на разных принципах. Источник света может быть сделан на основе любого физического эффекта, связанного с испусканием света, но реальное массовое применение сегодня получили три. Ни светляками, ни гнилушками человек свой путь освещать не будет (если, конечно, не случится чего-то совсем катастрофического). Выбор источников света в истории человечества определился их параметрами.


Чем лампы отличаются друг от друга


Первый параметр - световой поток. Сколько света дает лампа на ватт переданной ей мощности, какова ее "световая отдача"? У лампы накаливания этот параметр составляет обычно 12 лм/Вт, у галогенной лампы - 18 лм/Вт, у натриевой лампы - 120 лм/Вт. Немедленно возникает вопрос - почему последние не вытеснили все прочие?! Скоро мы это узнаем.


Световая отдача зависит от того, свет какого цвета излучает лампа, поскольку чувствительность глаза человека к излучению разного цвета (с разной частотой, разной длиной волны) различна. Например, инфракрасный или ультрафиолетовый излучатель имеет световую отдачу 0 лм/Вт - ватты он потребляет, излучение испускает, но мы его не видим - это не свет. Световая отдача - самый важный параметр лампы с точки зрения энергосбережения, и развитие источников света - это попытки увеличить световую отдачу. Здесь есть предел, хотя до него еще и далеко. На рисунке показано, какие значения световой отдачи можно получить при идеальном преобразовании электроэнергии в свет разной частоты.


Этот график ("кривая видности") определяет, сколько люменов видимого света несет в себе каждый ватт лучистой энергии монохроматического излучения той или иной длины волны. При идеальном (без потерь) преобразовании электроэнергии в свет кривая видности как раз и покажет максимальную световую отдачу источника света заданного цвета излучения. Так, для 555 нм (желто-зеленый цвет) мы получим абсолютный рекорд световой эффективности - 683 лм/Вт, а, скажем, для 630 Нм (красный цвет) - всего 180 лм/Вт. Лампы, дающие белый свет, представляющий собой смесь разных излучений, могут иметь разный спектр: линейчатый, полосатый, сплошной. В зависимости от спектра максимально возможная световая отдача может быть разной.


Второй параметр - срок службы. Лампы перегорают, кроме того, световой поток лампы уменьшается в процессе работы. Поэтому различают полный (пока не перегорит) и полезный (пока световой поток не упадет ниже определенного предела) срок службы. Проектируя световое решение, нельзя забывать о дальнейшей эксплуатации осветительной установки, в частности, о замене ламп. Необходимость частой замены ламп в труднодоступных местах может превратить эксплуатацию в кошмар. Современные источники света сильно отличаются по сроку службы. Срок службы ламп накаливания составляет около 1000 часов, сильно зависит от культуры производства и имеет большой разброс, срок службы люминесцентных ламп в несколько раз больше, но лидер здесь - светодиоды: лампу накаливания пришлось поменять более 100 раз, а светодиод все светят и светят...


Третий параметр - распределение потока света в пространстве. Основную работу здесь делает осветительный прибор, образно говоря, абажур, но важен и размер источника света. Чем он меньше, тем легче использовать отражатели и линзы, чтобы добиться необходимого рспределения светового потока в пространстве - например, сфокусировать свет в яркое пятно или узкий луч. Лампы с большой поверхностью свечения (например, люминесцентные), создают "мягкий" свет - не поддающийся фокусировке и не дающий резких теней.


Четвертый параметр - спектральный состав. Как он отражается на световой отдаче, мы уже знаем. Но для человека важна "естественность" освещения, близость спектра либо к солнечному, к которому он привык за всю биологическую историю, либо к тому, к которому он привыкает в течение своей жизни. Причем человек привыкает не собственно к спектру, а к сочетанию спектра и ситуации. Например, свет люминесцентных ламп в доме многими воспринимается как неестественный, хотя он ближе к солнечному, чем свет ламп накаливания. И дело не только в "цвете света". То, в каком цвете мы видим окружающие объекты, зависит от спектрального состава освещения. Под именно этот, привычный, искусственный свет, за десятилетия адаптировалась мода, дизайн, живопись - все, что создает цвета окружающего нас мира - дома, в цеху, в офисе. Можно подобрать окраску комплекта мебели, одежды, картин и т.п. так, чтобы этот специальный комплект выглядел при люминесцентном освещении, как обычный комплект - при свете ламп накаливания. Автору не известно, пытался ли кто-то сделать это.


Но осуществить эту операцию можно только, если спектры двух "светов" отличаются не слишком сильно. Объект, покрашенный синей краской, вообще не отражающей, например, желтого излучения, при облучении спектрально-чистым желтым излучением нельзя увидеть никаким, кроме черного. В частности, именно поэтому не будут применяться в быту замечательно экономичные натриевые лампы (газоразрядные высокого давления, с разрядом в парах ртути и натрия) - их спектр очень сильно отличается от любого из привычных. Но для освещения улиц их применяют.


Какие они бывают


Лампа накаливания - это вольфрамовая спираль, помещенная в колбу, из которой откачан воздух, разогревается под действием электрического тока. Воздух необходимо удалять, потому что вольфрам выше 400оС окисляется, а при рабочих температурах лампы сгорает "быстрее света", покрывая колбу изнутри бело-желтым или синим налетом. Это цвет разных оксидов вольфрама, и он зависит от режима горения: при дефиците кислорода получается один, при избытке другой. Вместо воздуха в лампе может быть вакуум или инертный газ, последний уменьшает испарение вольфрама и увеличивает срок службы, но уменьшает световую отдачу, отводя тепло от нити. Вольфрам выбран для нити накаливания потому, что он имеет наименьшую скорость испарения, то есть обеспечивает максимальный срок службы. Сам выход из строя нити - элегантная физическая задача: это лавинообразный процесс, который стартует в месте трещинки или иного дефекта нити, увеличивающего ее локальное сопротивление, стало быть - тепловыделение, температуру, испарение... пошло-поехало по экспоненте и перегорело.


Тезис насчет наименьшей скорости испарения у вольфрама требует некоторого комментария. Это действительно так, а за вольфрамом следуют тантал, рений, осмий, ниобий и на шестом месте - углерод. Причем первые трое проигрывают вольфраму примерно порядок, а ниобий и углерод - два. Отсюда ясно, что как только технология вольфрама была доведена до того, что тонкую проволку стали получать в любых количествах, вопрос о материале нити накала был решен (технологически тантал и ниобий значительно проще). Но этот закрытый вопрос со дня на день может открыться, и вот почему. Все знают, каково строение углерода: это плоскости, уложенные гексагонами, шестиугольниками из атомов. Каждый атом в такой плоскости связан с тремя другими. А вот атом на краю плоскости - с двумя. И разумно предположить, что скорость испарения углерода определяется этими краевыми, относительно слабо связанными атомами. А у фуллеренов и в некоторых случаях у углеродных нанотрубок краевых атомов нет вообще. Значит, их термостойкость должна быть существенно выше, скорость испарения - меньше, а срок службы - выше. Причем если свернуть углеродную нанотрубку в кольцо (существование таких структур было предсказано М.Ю.Корниловым в 1985 году, а в 1999 году появились первые сведения о их получении), то может быть сделан бесконтактный источник света - кольцо можно нагревать переменным электромагнитным полем (индуктором).


Галогенные лампы - это лампы накаливания, у которых в газ-наполнитель добавлен галоген (йод). Он обеспечивает транспортную реакцию - перенос вольфрама, напыленного на колбу, обратно на нить. Это позволяет либо увеличить срок службы, либо поднять температуру. Зачем увеличивать срок службы, понятно, а при увеличении температуры спектр излучения сдвигается с синюю сторону, цвет делается менее желтым и увеличивается доля мощности, излучаемой в видимой части спектра, то есть светоотдача. Галогенные лампы дороже обычных, поэтому их редко применяют в быту (к данным о сроке службы покупатель относится недоверчиво, а платить надо сразу), чаще в организациях. В быту их применяют за рубежом, но в тех странах, где в продаже есть светильники, предназначенные для этих ламп, например, в Америке (у этих ламп другой цоколь и нужен, соответственно, другой патрон). В России в продаже преобладают светильники для ламп накаливания и газоразрядных. Поскольку рабочую температуру ламп обычно выбирают так, чтобы срок службы был больше в два - четыре раза, чем у ламп накаливания, то и эксплуатационные расходы оказываются примерно одинаковыми.


Люминесцентная лампа - это газоразрядная лампа низкого давления. Излучение разряда в парах ртути вызывает люминесценцию люминофора, и спектром можно управлять, изменяя состав люминофора. Существует несколько типов таких ламп - с разными спектрами, и наглядно увидеть различия можно в некоторых переходах в московском метро - лампы втыкали "какие завезли", и цвета чередуются случайным образом. Естественно, что улучшение спектра влияет на светоотдачу, у разных ламп она составляет 50 - 100 лм/Вт. Для работы люминесцентных ламп необходима специальная пускорегулирующая аппаратура, и это их недостаток, который мы обсудим немного ниже. Преимущество этих ламп - долговечность(срок службы до 20 000 часов). Именно благодаря ей, да еще и экономичности эти лампы стали самыми распространенными источниками света в цехах, офисах и магазинах. В странах с теплым климатом они применяются в наружном освещении, но с уменьшением температуры давление паров всех веществ падает, разряд перестает зажигаться.


Разрядные лампы высокого давления используют разряд в парах металлов при высоком давлении. Из ламп этой группы мы видим на улицах натриевые лампы, с их прекрасной экономичностью (до 150 лм/Вт) и неестественным желтым светом. Правда, как и любой объект, они прогрессируют - у металлогалогенных ламп при хорошей светоотдаче (до 100 лм/Вт) неплох и спектр, и срок службы - около 15.000 часов.


Светодиоды называют источниками света будущего. Поначалу они генерировали красный свет (1962 год), потом появились желтые, зеленые (1976) и синие (1993). Причем одновременно с расширением освоенного участка спектра росла эффективность. В этот момент стало ясно, что на светодиодах можно сделать источник и белого света, расположив рядом два светодиода с надлежащими длинами волн и мощностями. Позже возникли лучшие варианты - распложенные рядом тройки и голубой светодиод с люминесцентным (как в люминесцентной лампе!) покрытием. На данный момент для белых светодиодов достигнута светоотдача 25 лм/Вт, хороший спектр и срок службы более 100.000 часов, который исключает конкуренцию по этому параметру.


Светодиоды дороги, и поэтому в первую очередь они внедряются там, где стоимость не очень существенна, а требования по надежности и сроку службы жестки. Дальнейшая их судьба будет определяться ростом светоотдачи - потому что экономия на электроэнергии со временем будет перекрывать стартовые расходы. Когда светоотдача достигнет уровня 50 лм/Вт, светодиоды уже могут считаться реальной заменой ламп накаливания и галогенных, но будет еще рано говорить о замене люминесцентных ламп. Если же продолжать работы в этом направлении и дальше, то светоотдача полупроводников вырастет еще в несколько раз и через пару десятилетий превысит светоотдачу люминесцентных ламп более чем в 2 раза. Такой оптимистический прогноз базируется на примере красных светодиодов, чья эффективность еще в конце 80-х была лишь 5 лм/Вт, а сегодня - почти 75 лм/Вт. Светодиодные источники света стоят на пороге вторжения на рынок общего освещения, и это вторжение нам предстоит пережить в ближайшие годы.


Кое-что о связи техники и жизни


Вообще техника - не только светотехника - развивается неравномерно. При решении одной и той же постоянной задачи в первые ряды выдвигаются то одни, то другие решения. При каких условиях и почему возникают такие колебания? Прогресс в любой области зависит от прикладываемых усилий, то есть от инвестиций. И те, кто строит модели развития области, прямо так и формулируют: если мы вложим столько-то миллионов, то достигнем столько-то лм/Вт, а если втрое больше вложим - то, скажем, вдвое больше получим. Конечно, тут возможны ошибки, но если известно, во сколько миллионов встало человечеству удвоение эффективности красных светодиодов, во сколько - желтых, и во сколько - синих, то грех не предсказать... А от чего зависит, сколько вложено? От перспектив, а их человек оценивает по достигнутому состоянию и скорости его изменения (производной). Причем если "отзывчивость" области на инвестиции - свойство природы, то отзывчивость человека на перспективы - свойство психологии. Поэтому модель развития экономики и техники должна включать кое-что из психологии.


Разные области техники связаны, причем эта связь может быть двух типов - через деньги, средства и непосредственно, через общее техническое решение. Вот пример первой связи. В развитых странах на долю освещения приходится около более пятой части всей используемой энергии. Значит, степень важности светоотдачи источников света зависит от цен на энергию. При низких ценах люди могут позволить себе внедрять светодиоды, даже если они менее экономичны - из других соображений, например, ради надежности. Но даже если они станут экономичнее, особых причин внедрять их не возникнет. При высокой стоимости энергии ситуация будет иной - их никто не будет замечать до момента, когда светоотдача будет готова превзойти некоторый порог, но уж тогда все кинутся инвестировать. А после преодоления порога - внедрять.


Заметим, что общество, живущее предельно напряженно, так действовать не может - оно бы и радо инвестировать, да нечего. Отнять ни у кого нельзя, а свободных средств нет. Такая ситуация лишает общество свободы маневра, вынуждает пропускать интересные возможности и не стандартные решения и в итоге не ускоряет, а тормозит развитие. Выполняется нечто подобное "закону сохранения" в физике - форсирование развития сегодня оборачивается торможением завтра.


Вот пример другой связи. В начале статьи упоминались пускорегулирующие устройства люминесцентных ламп, их традиционная принадлежность: тяжелый дроссель, ненадежный стартер. Они были нужны для того, чтобы определенным образом управлять напряжением на лампе и током через нее. Сейчас с этими задачами справляется маленькая схемка, которая помещается в цоколе стандартной лампы. Более того, вот уж казалось, куда люминесцентным дорога закрыта - это в низковольтную область, например, в карманные фонари. Но схемотехника продвинулась так, что оказалось вполне реальным брать напряжение 6 В (четыре батарейки), превращать его в переменное, повышать и питать люминесцентную лампу в карманном фонаре. На фото показан такой фонарь с двумя источниками света - светодиодом и люминесцентной лампой. Забавный пример гармоничного дополнения - а не конкуренции.