Edisonova pomsta. Upravená žárovka účinností překonává horší LEDky

Fyzikům se podařilo upravit klasickou žárovku s kovovým vláknem tak, aby se účinností přiblížila úsporným zářivkám či LED svítidlům. „Odpadní“ tepelné záření z vlákna se totiž rafinovaným „mikrozrcadlem“ znovu využívá a částečně mění na viditelné světlo.

Replika historické žárovky Philips s uhlíkovým vláknem. Při příkonu 60W svítí asi jako dvě svíčky. | foto: Václav Nývlt, Technet.cz

Klasická žárovka se na první pohled zdá dokonalým příkladem plně dospělé technologie, kterou už není možné příliš vylepšovat. Dá se vyrábět „za kačku“ (ve skutečnosti ještě levněji), ale dosáhla fyzikální hranice svých možností – vlákno rozžhaveného kovu jednoduše nemůže svítit efektivněji, protože největší část záření bude vždy vyzařovat ve formě záření tepelného. I přes svou jednoduchost a oblíbenost se už nemá kam dál vyvíjet, a tak ji (částečně nuceně, částečně přirozeně) předběhly a nahrazují jiné zdroje světla, hlavně mnohem účinnější polovodičové „ledky“.

Ale není to pravda a zprávy o smrti Edisonovy klasické žárovky se ještě mohou ukázat hodně přehnané. Skupina vědců ze slavného MIT předvedla (a popsala v časopise Nature Nanotechnology), jak její účinnost zvýšit na úroveň srovnatelnou s méně účinnými LED světly – a to je její vývoj teprve na začátku. Základem jejich řešení je materiál, který propouští pouze viditelné světlo a odráží záření v infračerveném (tedy tepelném) spektru, kterého žárovka produkuje nejvíce. Sami autoři tak svůj princip popisují jako recyklaci tepelného záření.

Jak na to?

Základem práce skupiny studentů a spolupracovníků profesorů Johna D. Joannopoulose a Marina Soljačice z MIT je na míru vytvořený a skládaný materiál, který propouští viditelné světlo a světlo infračervených délek odráží zpět. Jinými slovy: viditelné světlo, které žárovka vytvoří, jím projde ven, a ona tedy normálně svítí. Ale tepelné záření se odráží zpět, vlákno ho znovu pohltí a vyzáří ho znovu ven částečně jako světlo (které odejde pryč) a částečně jako teplo, které se zase vrátí od zrcadla zpět na vlákno. A tak zase znovu. „K udržení vlákna na potřebné teplotě stačí podstatně menší energie - při zanedbání ztrát v podstatě jen taková, jaká odchází ve formě viditelného záření ven,“ shrnuje princip Jiří Čtyroký z Ústavu fotoniky a elektroniky Akademie věd.

Ten „zázračný“ materiál kolem vlákna žárovky tvoří sendvič z 90 vrstev dvou různých materiálů (SiO2 a Ta2O5). Nemá zcela optimální vlastnosti ani co se týče propustnosti pro viditelné světlo, ani odrazivosti v infračerveném spektru, ale dal se v laboratoři poměrně snadno vyrobit. Od wolframového vlákna je trochu odsazený, aby ho jeho teplota – až 3 000 °C – nespekla a nezničila.

Kovové vlákno žárovky má poněkud netradiční tvar. Je navržený tak, aby byla účinnost recyklace světla co nejlepší. Autoři (hlavním byl postgraduální student Ognjen Ilić, mimochodem Srb stejně jako Edisonův současník a sok Nikola Tesla) vlákno žárovky pečlivě složili do podoby malé destičky či spíše hustého radiátoru, aby pohlcovalo odražené infračervené záření co nejlépe.

Snímek prototypu žárovky recyklující tepelné záření z laboratoří MIT. Zřetelný je nestandardní tvar skládaného vlákna i destičky, které propouští viditelné světlo a odráží infračervené.

Prototyp téhle svým tvarem vlastně „ploché žárovky“ měl nakonec podle článku v Nature Nanotechnology účinnost zhruba 6,6 procenta, tedy přibližně dvojnásobku běžných žárovek. A to je účinnost srovnatelná s některými staršími „ledkami“ (účinnost těchto svítidel se pohybuje zhruba řečeno v rozmezí 5 až 20 procent podle typu a s tím, že se obecně postupně zvyšuje)

Fyzikální modely nicméně říkají, že v principu by mohla být účinnost „vylepšené žárovky“ mnohem vyšší, velmi blízko maximální teoretické účinnosti, která je kolem 40 procent. Zvyšovat ji lze hlavně přidáváním dalších vrstev odrazivého materiálu (až do několika stovek), volbě jiných materiálů či zvyšování množství materiálů použitých v sendviči.

Nevýhodou je ovšem v takovém případě rostoucí cena výroby podobných sendvičových materiálů pro optiku. To je technologie v mnoha ohledech stále teprve laboratorní, a tak je předčasné mluvit o tom, zda a kdy se podobné svítidlo objeví na trhu. Rozhodně to nelze vyloučit. „Byl bych mírným optimistou,“ říká k tomu Jiří Čtyroký.

Mezi výhody naopak patří fakt, že vylepšená žárovka si přitom zachovává příjemné světlo. Na rozdíl od LED světel, které vyzařují světlo v několika poměrně úzkých pásmech, a tyto barvy se smíchávají dohromady, žárovka stejně jako slunce vydává spojité světelné spektrum. Technologie má i tu výhodu, že výkon žárovky lze jednoduše zvyšovat zvětšováním rozměrů.

Jak je to se světlem LEDek

V diskusi i vzkazech autorovi se opakovaně vyskytuje otázka či výtka, že světlo LED svítidel není soustředěné do jednoho úzkého pásma. To je v mnoha případech skutečně pravda, ale na rozdíl od žárovek to není dáno charakterem samotného zdroje světla (tedy diod nebo vlákna žárovky), ale zajišťuje to jiná technologie. LED svítidla využívají tzv. lumiforu, tedy vrstvy, které v diodách vznikající světlo v jedné části spektra mění na záření širokospektrální požadované barvy (tedy „teploty světla“).

Kvůli své nízké efektivě by dnes tepelné žárovky (s určitými výjimkami) ke svícení na trhu dostupné být neměly. Nová technologie by to mohla změnit: „Pokud by se během dalšího výzkumu skutečně podařilo vyvinout klasické žárovky s vysokou účinností, což aktuální výsledky MIT naznačují, a přitom by nebyly prokázány jejich negativní vlivy na životní prostředí, zdraví a tak dále, bylo by na místě revidovat příslušnou legislativu,“ komentoval práci ředitel odboru energetiky a ochrany klimatu ministerstva životního prostředí Pavel Zámyslický. Takže bychom se úplné rehabilitace (hodně pozměněné) „edisonky“ mohli opravdu dočkat...

Poručíme teplu i světlu!

Možnosti využití technologie „recyklace“ tepelného záření ale nekončí u osvětlení. Autoři vylepšené žárovky ve zmiňované práci uvádějí možné využití principu v termofotovoltaice (tedy přeměně tepelné energie na elektrickou). Zato se zdá velmi pravděpodobné, že buď sami objevitelé nebo jiní odborníci časem přijdou ještě na nějaké nové, a zatím ne zcela zjevné způsoby využití tohoto elegantního systému.

Možná i v kombinaci s jinými „kouzly“. Fyzikové si v posledních několika desetiletích postupně ochočili elektromagnetické záření včetně viditelného světla na mikroskopické úrovni způsoby, které nikdo dlouho nepovažoval za prakticky možné (viz třeba různé pláště neviditelnosti z tzv. metamateriálů). Je to dnes zajímavý obor plný příslibů třeba co se týče dalšího zmenšování a zrychlování zpracování dat. A jeho další možnosti se dnes jen těžko odhadují.

V neposlední řadě práce také ilustruje, jak dlouho zrají plody vědeckého výzkumu. Základní chování světla (a vůbec všeho elektromagnetického záření) popsal James Clerk Maxwell téměř přesně před 150 lety, na sklonku roku 1865. O pár desítek let později Einstein přišel na základě Planckovy práce s elegantním popisem duální podoby záření jako vlny i částice zároveň. Práce velkých teoretiků dohromady s počítačovým modelováním, mikroskopickými metodami, pokroky v optice, fotonice a řadou dalších objevů a technologií vyústilo ve vylepšení žárovky v roce 2015. Takže pokud vás někdy napadne nad zprávou o nějakém těžko uchopitelném objevu otázka „jestli bude chleba levnější“, smiřte se s tím, že odpovědi se dost možná nedožijete.

Upozornění a opravy: Do článku jsme doplnili vysvětlení úlohy luminoforu v LED svítidlech, vyjasnili formulaci o nedostupnosti žárovek na trhu EU a upravili nepřesné tvrzení o Einsteinově přínosu ke kvantové teorii záření.

  • Nejčtenější

Kam pro filmy bez Ulož.to? Přinášíme další várku streamovacích služeb do TV

v diskusi je 125 příspěvků

26. března 2024

S vhodnou aplikací na vás mohou v televizoru na stisk tlačítka čekat tisíce filmů, seriálů nebo...

Z jaderné triády zbyly Britům už jen ponorky. A ty musejí posílit

v diskusi je 76 příspěvků

27. března 2024

Jadernou triádu tvoří strategické bombardéry s jadernými zbraněmi, mezikontinentální balistické...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Hlučínsko patří nám. Před 100 lety byl podepsán definitivní protokol o hranici

v diskusi je 45 příspěvků

28. března 2024

Před 100 lety definitivně skončily tahanice o československo-německé hranice. 28. března 1924 byl...

Rusko zastavilo odlet na ISS s první Běloruskou, letět měla i Američanka

v diskusi je 50 příspěvků

21. března 2024  10:23,  aktualizováno  14:26

Ve čtvrtek 21. března se necelých deset minut před půl třetí odpoledne měla vydat na Mezinárodní...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Američané odepsali modul, který je vrátil po půl století na Měsíc

v diskusi je 22 příspěvků

28. března 2024,  aktualizováno  11:41

Od začátku letošního roku je na Měsíci a kolem něj poměrně rušno. Vedle řady sond, které zamířily...

Za vyhynutím dinosaurům mohla být i doba temna

v diskusi nejsou příspěvky

29. března 2024

Dopad planetky je nyní většinou odborníků považován za hlavní příčinu vyhynutí zhruba 73 až 76 %...

Podívejte se na Boeing C-17 Globemaster, který do Česka přivezl nové vrtulníky

v diskusi jsou 2 příspěvky

29. března 2024

V sobotu 23. března dosedl v Praze nákladní letoun USAF, který vezl obzvlášť cenný náklad. Z...

Dočasná raketa se po téměř 70 letech loučí. Bude startovat naposledy

v diskusi je 5 příspěvků

28. března 2024  15:36,  aktualizováno  19:54

Tento čtvrtek stojí na startovací rampě mysu Canaveral poslední potomek raket Thor, nosič Delta IV...

Američané odepsali modul, který je vrátil po půl století na Měsíc

v diskusi je 22 příspěvků

28. března 2024,  aktualizováno  11:41

Od začátku letošního roku je na Měsíci a kolem něj poměrně rušno. Vedle řady sond, které zamířily...

Akční letáky
Akční letáky

Všechny akční letáky na jednom místě!

Smoljak nechtěl Sobotu v Jáchymovi. Zničil jsi nám film, řekl mu

Příběh naivního vesnického mladíka Františka, který získá v Praze díky kondiciogramu nejen pracovní místo, ale i...

Rejžo, jdu do naha! Balzerová vzpomínala na nahou scénu v Zlatých úhořích

Eliška Balzerová (74) v 7 pádech Honzy Dědka přiznala, že dodnes neví, ve který den se narodila. Kromě toho, že...

Pliveme vám do piva. Centrum Málagy zaplavily nenávistné vzkazy turistům

Mezi turisticky oblíbené destinace se dlouhá léta řadí i španělská Málaga. Přístavní město na jihu země láká na...

Velikonoce 2024: Na Velký pátek bude otevřeno, v pondělí obchody zavřou

Otevírací doba v obchodech se řídí zákonem, který nařizuje, že obchody s plochou nad 200 čtverečních metrů musí mít...

Kam pro filmy bez Ulož.to? Přinášíme další várku streamovacích služeb do TV

S vhodnou aplikací na vás mohou v televizoru na stisk tlačítka čekat tisíce filmů, seriálů nebo divadelních...