Путь от костра до светодиодной лампы, или Пилой по глазам

18 августа Анатолий Чубайс показал Владимиру Путину светодиодную лампу производства ЗАО "Оптоган" (учредители — "Роснано", "Онэксим" Михаила Прохорова и якутская "Республиканская инвестиционная компания"), по мощности эквивалентную обычной лампе накаливания в 60 ватт, но в 6 раз менее энергоемкую и с гарантийным сроком 3 года (50 тыс. часов работы). 30 тыс. таких ламп поступили в сентябре в магазины Москвы и Санкт-Петербурга по цене чуть менее 1000 рублей; если их будут хорошо покупать (что неизбежно), производитель обещает снизить цену до 300-350 рублей.

Цена на устройства, испускающие свет, в развитых странах давно не подчиняется рыночным законам и определяется достижениями не столько физики полупроводников и электротехники, сколько гидрометеорологии, экологии и даже физиологии белых медведей.

Старый свет

По закону "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности", в России должно быть прекращено производство ламп накаливания мощностью 100 ватт и более с нынешнего года, мощностью 75 ватт — с 2013 года, а с 2014 исчезнут и лампы вплоть до 25-ваттных (слабее для освещения помещений не делают).

Первыми законодательно запретили лампы накаливания в 2007 году некоторые американские штаты, но отцом начинания был Евросоюз. В целях борьбы с глобальным потеплением, которое зашло настолько далеко, что причиняет страдания белым медведям, Еврокомиссия в 2005 году приняла специальную директиву. В ней расписан график истребления ламп накаливания — чересчур энергоемких и потому вызывающих выброс в атмосферу дополнительных парниковых газов.

Продажа 100-ваттных ламп накаливания населению запрещена в Европе с 2009 года, 60-ваттные запретили в прошлом году, 40-ваттные — в этом, а 25-ваттные запретят в будущем. В 2016 году объявят "вне закона" все галогенные лампы (разновидность ламп накаливания). А к 2020 году, рассчитывает Еврокомиссия, должна перегореть последняя лампа старого образца.

Следом за американцами лампы накаливания запретили австралийцы — программа стартовала в 2010 году.

Гнилушки General Electric

Задача создать идеальную лампу технически была понятна: она должна светить только видимым светом, не тратя впустую энергию на инфракрасные, ультрафиолетовые и прочие лучи. Решили эту задачу в 1938 году в основанной Эдисоном компании General Electric, как только обратились к дьявольскому сиянию гнилушек, светлячков, медуз и креветок. В основу новой лампы положили одну из разновидностей люминесценции — фосфоресценцию, хорошо известную по повести Артура Конан Дойля "Собака Баскервилей".

Внутри стеклянной трубки лампы General Electric были инертный газ и ртуть. В дуговом разряде, который возникал между электродами по концам трубки, пары ртути испускали ультрафиолетовый свет; под лучами ультрафиолета слой белого фосфора на внутренней стороне стенки лампы ярко вспыхивал и гас сто раз в секунду. Человеческий глаз не улавливает такой частоты, поэтому свет казался постоянным. А кпд лампы можно было в буквальном смысле пощупать: она была лишь слегка теплой (40оС), потому что не испускала ничего лишнего, светила точно в заданных границах спектра видимого света (380 — 780 нанометров).

Но потребительские свойства люминесцентных ламп были ужасными. Они зажигались не сразу, а несколько секунд "думали", потом начинали мигать, потом, наконец, вспыхивали и начинали издавать тихий гул. А когда лампу гасили, она еще долго конвульсивно подмигивала потусторонним синеватым светом.

Это было еще полбеды. Спектр света, испускаемого фосфором, похож на край пилы, и выдержать его долго может не каждый. Примерно у каждого двухтысячного человека "рваный" свет люминесцентных ламп вызывает проблемы со здоровьем, а у эпилептиков провоцируют припадки.

Со временем люминесцентные лампы перестали гудеть, зажигались и гасли с минимальной задержкой, уменьшились в размерах и внешне даже стали очень похожи на привычные лампочки накаливания. Но два их недостатка оказались неустранимыми: неестественность спектра света и пары ртути.

Есть еще два источника искусственного света: газоразрядные и дуговые лампы, но для помещений они плохо годятся. Газоразрядные, среди которых самая известная — неоновая, хороши для оформления витрин, рекламы и уличных фонарей. Дуговые — для прожекторов. А помесь между ними — ксеноновые лампы — ставят на автомобили: для настоящего прожектора слабоваты, а ослепить встречного водителя — в самый раз.

Госпожа Мерин и страшно дорогая ртуть

Ртути в современной люминесцентной лампе примерно 5 мг. В тысячу раз меньше, чем, например, в градуснике. Но кому приятно осознавать, что в любой момент может быть распылена ртуть? Одна дама из штата Мэн рассказала в блоге, что решила экономить на электричестве и ввернула в комнате дочери люминесцентную лампу. Когда она разбилась, приехали мужики из специальной службы, провели демеркуризацию (очистку от ртути) помещения и выставили счет в 2 тыс. долларов.

В январе председатель комитета по промышленности, исследованиям и вопросам энергетики ЕС Герберт Ройль в интервью Die Welt пообещал сделать все, чтобы отменить запрет на продажу ламп накаливания. Депутата Ройля поддержала зампред Европарламента Сильвана Кох-Мерин, призвавшая "не превращать под видом охраны окружающей среды опасные спецотходы в источник света".

Но в мае выяснилось, что диссертация госпожи Кох-Мерин на соискание ученой степени доктора философии, которую она защитила в Гейдельбергском университете в 1999 году, — плагиат, и она подала в отставку. Как-то притих и коллега Ройль.

Продемонстрировал интерес к проблеме утилизации ртути и фосфора из энергосберегающих ламп и президент Дмитрий Медведев. В начале апреля он с интересом слушал мэра пензенского ЗАТО "Заречный" Вячеслава Гладкова, который рассказывал, как он раздает субсидии из муниципального бюджета магазинам, принимающим назад перегоревшие энергосберегающие лампы, чтобы потом их централизованно утилизировать.

Неизвестно, как президент оценил идею мэра Гладкова, обложившего избирателей, по сути дела, налогом на современные лампочки.

Свет из радио

Явление свечения полупроводников открыли в начале XX века в лондонской компании Wireless Telegraph, основал которую изобретатель радио Гильельмо Маркони: ток пропускали через карбид кремния (SiC).Это сотрудники Маркони искали новые диоды (выпрямители, как тогда говорили), пропускающие ток только в одном направлении.

Светился кристаллик карбида кремний слабеньким желтоватым светом. Стали пробовать другие диодные кристаллы. Вскоре стало понятно, что светятся кристаллы, состоящие из пары химических элементов, один из которых был из II или III, а другой из V группы таблицы Менделеева: ZnSe (селенид цинка) или InP (фосфид индия). Появилось и физическое объяснение: на стыке некоторых элементов электроны, переходя с одного энергетического уровня на другой, испускают фотоны.

Но практически использовать новые источники света можно было только как световые индикаторы на панелях приборов, и то ночью. В начале 1960-х все в той же General Electric сделали светоиндикаторы из арсенида и фосфида галлия, которые светились ярким и сочным красным цветом даже на солнце.

Светодиоды испускали свет только одного цвета. Подбирая пары, тройки и даже четверки элементов из II, III и V групп таблицы Менделеева, можно было получить все цвета радуги, которые в сочетаниях (желтый и синий, голубой и красный, сиреневый и зеленый) давали белый свет. Но гораздо проще и дешевле было не комбинировать, а поставить на пути синего, а еще лучше ультрафиолетового излучения фильтр из белого фосфора. По сути получалась та же люминесцентная лампа, но без ртути и крошечная.

Они идеально подходили для игрушек, дисплеев электронных часов, сотовых телефонов, мониторов и т.п. Чтобы получить достаточно мощный для обычной бытовой лампочки поток белого света, приходится собирать букеты из десятков, сотен, а порой тысяч диодов, ставить на них фосфорные экраны, светофильтры, пускаться на прочие технические ухищрения. Себестоимость одного люмена (единицы света) такой лампочки пока в 200 раз выше, чем у лампы накаливания и люминесцентной лампы. Отсюда высокие цены, и не Чубайс в них виноват.

Сияние миллиардов

"Оптоган" делает лампы так: массив светодиодных чипов расположен на единой плате из меди и материалов с высокой теплопроводностью, что позволяет отводить тепло и достигать рекордно низкого теплового сопротивления (лампочка не греется, то есть не излучает в инфракрасной области спектра). Сверху чипы покрыты общим слоем люминофора в виде геля. По словам главы отдела маркетинга группы компаний "Оптоган" Георгия Гоголева, используются синие диоды (вероятно, на основе нитрида галлия. — "Наука"), синий свет проходит через люминофорный гель и преобразуется в белый свет.

Самый дешевый люминофор, преобразующий синий свет в белый, — фосфор. Но каким бы ни был состав люминофора в такой лампе, общий принцип ее работы точно такой же, как люминесцентной — первичное излучение светодиода в синей (и, возможно, ультрафиолетовой) областях спектра преобразуется во вторичное излучение люминофора с неизбежными провалами и пиками в спектре, то есть свет физиологически не комфортен.

Но с точки зрения человека, озабоченного экономией и судьбой белых медведей, такая светодиодная лампа — идеальный источник света. Она еще более экономична, чем люминесцентная, служит десятки лет — перегорать в ней нечему. Комбинируя светодиоды, в том числе пока не открытые, и светофильтры и люминофоры, можно построить любой спектр — даже лучший, чем у природного света Солнца.

Татьяна Андропова, кандидат биологических наук, доцент кафедры гигиены СибГМУ, Томск:

Гигиена сейчас не поспевает за изобретением новых лампочек. Ничего не могу сказать про светодиоды пока, кроме того, что они довольно дороги. Самая приемлемая лампа для использования в домашних условиях - накаливания. Но если требуется почитать, заняться вышиванием и т. п., то лучше лампа люминесцентная. На систему полного расчета где, в каком помещении какие должны быть лампы, какой спектр, мы перейти еще долго не сможем. Правительство хоть и дало добро, все равно нет доступных способов утилизации - а ведь в любой люминесцентной лампочке ртуть. И покупатели сами еще не готовы, не тот уровень сознательности.

Угль, пылающий огнем

До эпохи электричества свет человеку давало все, что могло гореть более или менее долго: костер, лучина, жир животных, масло растений, смола, свеча, газ, керосин... Реже в ход шли природные источники люминесцентного света — куски гнилого дерева, в России чаще всего осины, в которой светилась пронизывающая труху грибница обычных опят; светлячки — наловив их в бамбуковую клетку, китайцы делали настольные лампы и даже люстры; светящиеся морские организмы — японцы сушили биолюминесцирующих креветок; чтобы их "зажечь", достаточно было полить водой.

Такие энергосберегающие источники света не мерцали, давали ровный, но тусклый свет — не в пример слабее свечи, не говоря уже о смоляном факеле, и в таком диапазоне спектра, что вид человека, подсвеченного ими, наводил на мысли об ожившем трупе недельной давности. Когда в середине прошлого века биохимики окончательно разобрались в механизме природной люминесценции, светящиеся молекулы в живых существах они назвали люциферинами, а ферменты, запускающие реакцию свечения, — люциферазами. В честь Люцифера.

В 1879 году Эдисон сумел существенно продлить процесс горения в источнике света. Он вставил в электрическую цепь уголек, поместил конструкцию в стеклянную колбу и откачал из нее воздух. Ток сжигал уголь, но медленно — не хватало кислорода: уголек ярко тлел целых 40 часов. Через тридцать лет угольную нить в лампе заменили спиралью из самого тугоплавкого металла вольфрама (температура плавления 3422°C), и жизнь лампы удлинилась до сотен часов.