Что заменит лампочки накаливания в будущем?

Всеволод Твердислов, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой биофизики МГУ:

Уважаемые зрители, сегодня у нас в гостях профессор Юнович, доктор физико-математических наук. Александр Эммануилович, не будете ли вы возражать, если мы будем говорить о самом главном деле вашей жизни, о светской жизни, о высшем свете, об источнике света. Наши зрители увидели лампочки и явно понимают, о чем будет речь. Для короткого введения я хочу сказать три простые, но очень главные, как мне кажется, вещи. Первое, цивилизация нуждается в освещении, когда нет естественного освещения. Человек нуждается в экономном освещении. Человек нуждается в хорошем спектре, а мы за время эволюции привыкли к солнечному свету, белому как мы говорим. Конечно же, нас интересует не только свет, а источники света, как сигнальные, информационные системы. Вот, если не возражаете, как раз об этом мы поговорим. А с чего вы начнете, тому ваша воля. Пожалуйста, Александр Эммануилович.

Александр Юнович, доктор физико-математических наук:

Я бы начал с книги Бытия, в которой сказано: «И сказал Господь: «Да будет свет». И стал свет». Т.е. в древней классике вопросом освещения и важности его для человека с этого начиналось.

Всеволод Твердислов:

Начиналась цивилизация собственно с этого.

Александр Юнович:

Легенда о Прометее, который принес человечеству огонь, – это тоже первые шаги. И так от костра, от лучины, от лампады масляной, которой сотни даже тысячи лет до первых ламп Яблочкова и Ладыгина, которые были разрядными лампами, все шло к XIX веку. Вот в XIX веке научные революции, развитие физики, вакуумной техники, металловедения привело к лампочкам накаливания.

Всеволод Твердислов:

Вот первые дуговые лампы почему связаны с русскими именами, расскажите? Потому что сейчас иногда вообще про это забывают.

Александр Юнович:

Этого нельзя забывать, потому что изобретение дуговых ламп Ладыгиным и Яблочковым было действительно пионерским, даже в Париже ставили эти лампы.

Всеволод Твердислов:

Это какие годы XIX века?

Александр Юнович:

Это 40-50 годы.

Всеволод Твердислов:

Т.е. середина XIX века.

Александр Юнович:

Это середина XIX века. А уже Эдисон, который использовал изобретения Тесла, чешского инженера. И вот представьте себе самый тугоплавкий металл вольфрам, надо было придумать, как из него сделать тончайшую проволоку.

Всеволод Твердислов:

Он же хрупкий очень, по-моему.

Александр Юнович:

Как сделать из этой проволоки пружинку, как ее поместить.

Всеволод Твердислов:

Чтобы она могла во время нагревания не рваться.

Александр Юнович:

Да, чтоб она могла не рваться. Как ее поместить в вакуум, чтобы вакуум держался годами и запаять стекло в металлический цоколь.

Всеволод Твердислов:

И чтоб температурный диапазон был от –40 до + раскаленной лампы.

Александр Юнович:

Да, и там температура раскаленного вольфрама. И вот это все развивалось 150 лет. А уже развитие физики твердого тела, развитие люминесценции, открытие эффективных люминофоров, веществ, которые при возбуждении светятся в нужном спектральном диапазоне. Это уже середина ХХ века. И в конце ХХ века уже внедрение практическое. И сейчас эти лампы превышают по своей эффективности в лучших промышленных образцах в 3-3,5 раза эффективность световой отдачи в люмен на ватт ламп накаливания.

Всеволод Твердислов:

Уважаемые зрители, я хочу обратить ваше внимание вот на лампы, которые мы принесли с собой. Сейчас в нашей стране и во всем мире ведется борьба за энергосбережение. И тут я хотел сказать, что вся мощность, которая потребляется светильниками, в конце концов, уходит в тепло. Но какая-то часть, обычно меньшая, в лампах накаливания уходит сначала в свет, который потом только уходит в тепло. Так вот нынешние лампы существенно в 3,5 раз, как вы сказали, могут снизить энергопотребление при сохранении той возможности освещать нашу жизнь. Но самое интересное, что вот две совершенно одинаковые, это часто публика не знает, две совершенно одинаковые по виду лампы – одна дает совсем белый свет, а другая желтоватый. Так вот белый – это для офисов надо и для промышленности применять, а желтоватый для домов. И когда люди покупают эти лампы, то лучше бы всегда этим интересоваться. Они бывают чуть-чуть разные и с разным спектром. И нам нужен более желтоватый.

Александр Юнович:

Вот вы упомянули о том, что нам нужно. Спектральная чувствительность человеческого глаза имеет максимум вблизи зеленой области 555 нанометров.

Всеволод Твердислов:

Поэтому мы так любим зелень.

Александр Юнович:

А в ультрафиолетовую и в красную часть эта чувствительность падает, поэтому эффективность ламп всегда надо определять не с точки зрения мощности света в ваттах, а с точки зрения светового потока в люменах. Т.е. та часть энергии, которая воспринимается человеческим глазом.

Всеволод Твердислов:

И вот скажите, вот то, что мы сейчас уже пропагандируем и внедряем, наука ушла дальше.

Александр Юнович:

Наука ушла дальше.

Всеволод Твердислов:

Расскажите.

Александр Юнович:

Я об этом расскажу. Первый светодиод наблюдался Олегом Владимировичем Лосевым в 20-х годах.

Всеволод Твердислов:

Это полупроводниковый источник света.

Александр Юнович:

В отличие от всего того, что мы говорили сейчас про лампы, речь идет об источниках света, основанных на твердом теле, на полупроводнике. И вот исследуя первые детекторные приемники, кристаллические детекторы для преобразования радиоволн, Лосев в Нижегородской лаборатории увидел голубое свечение. И он тогда первый сказал о том, что это будет безинертный источник света. Это были пионерские работы, это было названо в мировой литературе эффектом Лосева. И мало того, он продолжал эти исследования, которые очень пропагандировал Абрам Федорович Иоффе, академик. И в 39-м году, когда Лосев писал свои статьи, он сказал, что наблюдается это свечение на границе проводимости полупроводника дырочной и электронной. Т.е. он опередил на 10 лет Нобелевскую премию Бардина, Шокли и Браттейна, которые изобрели транзистор, говоря, что все дело в p-n-переходах, электронно-дырочных переходах.

Всеволод Твердислов:

Александр Эммануилович, все-таки давайте вернемся к коэффициенту полезного действия. Как я понимаю, у лампы накаливания он очень не велик.

Александр Юнович:

Световая отдача ламп накаливания приблизительно 18 люмен на ватт, а световая отдача современного полупроводникового светодиода в лучших лабораторных условиях для белого света достигает 150 люмен на ватт.

Всеволод Твердислов:

Т.е. это во сколько раз получается?

Александр Юнович:

Это в 8-9 раз. И можно в принципе и в 10 раз. Будет трудно, но доводить до совершенства еще можно. Но главное, что происходило за вторую половину ХХ века, это то, что произошло открытие полупроводников типа А.3 Б.5, т.е. арсенида галлия, нитрида галлия, фосфида галлия, полупроводников, которые светятся в видимой области. В начале 60-х годов привело к появлению красного светодиода. Вот во многих старых мобильных телефонах красное свечение.

Всеволод Твердислов:

Кнопочки светятся красным.

Александр Юнович:

Да, и кнопочки на электронных приборах красным светились. Потом были желто-зеленые светодиоды из фосфида галлия. А вот пробиться в синий диапазон, в фиолетовый диапазон лет 20 не удавалось. И вот в середине 90-х годов произошел перелом.

Всеволод Твердислов:

Прорыв.

Александр Юнович:

Прорыв был основан на научных исследованиях нитрида галлия, это тоже полупроводник, а это чрезвычайно важно, потому что если есть эффективный голубой, зеленый и красный светодиод, то можно делать белый свет. И вот это происходило в конце ХХ века.

Всеволод Твердислов:

Александр Эммануилович, по-моему, мы сейчас обсуждаем один из редких случаев, когда возможно было и это произошло быстрое применение глубокой науки (физики твердого тела, электроники полупроводников) к применению понятного всему человечеству эффекту освещения.

Александр Юнович:

Физика полупроводников находится в выгодном положении, по отношению к большинству других наук, с точки зрения временного расстояния между фундаментальными вопросами кванта и теорией твердого тела и практическими применениями, которые влияют не только на научно-технический прогресс, но и нас социальные условия.

Всеволод Твердислов:

На саму цивилизацию, развитие цивилизации.

Александр Юнович:

Как вы можете себе представить цивилизацию сейчас без компьютеров.

Всеволод Твердислов:

Со счетами.

Александр Юнович:

Без волоконно-оптической связи, без карманных вычислителей, без мобильников. Вы не можете этого представить. А это все физика твердого тела, физика полупроводников. Поэтому когда произошел прорыв для голубой области, сразу стал вопрос о том, что можно сделать белые светодиоды. И белые светодиоды можно сделать по-разному. Можно взять один красный, один зеленый, один голубой.

Всеволод Твердислов:

И совместить их в излучателе, да?

Александр Юнович:

Да, совместить их в излучателе и сделать белый свет. Мало того, можно добавить еще и желтый светодиод и из четырех светодиодов сделать нужный свет.

Всеволод Твердислов:

Совсем белым будет.

Александр Юнович:

Да. И тогда характеризуется свет так называемой коррелированной цветовой температурой, т.е. надо сравнить тот источник света, который получается за счет этого белого света с черным телом, с излучением абсолютно черного тела. И тогда, когда вы можете регулировать каждый цвет, вы можете подбирать нужный спектр. Мало того, если вы на один синий светодиод нанесете люминофор, который будет светиться желто-зеленым или вдобавок еще чуть-чуть красным. И вопрос, как идти, простота одного светодиода с люминофором привела к тому, что это сейчас основное направление в разработке светодиодов.

Всеволод Твердислов:

Т.е. тут в принципе у нас стоит диод какого цвета?

Александр Юнович:

В принципе вот здесь стоит синий светодиод, покрытый желто-зеленым люминофором.

Всеволод Твердислов:

Понятно.

Александр Юнович:

И это было применено проще всего в таких фонариках. Но потом оказалось, что светофоры не могут быть установлены на старых светодиодах. Желто-зеленый светодиод воспринимается дальтониками как желтый или зеленый, а 10% водителей дальтоники. И поэтому на старых светодиодах, хотя были сделаны светофоры, в частности у нас в Зеленограде, это не пропускало ГАИ. Как только появились вот эти новые чисто зеленые светодиоды, были сделаны светофоры, в частности у нас. Первый светофор с этими зелеными светодиодами был показан генералам ГАИ в мае-июне 1996 года. А Лужков тогда подписал приказ о том, чтобы к юбилею Москвы в 1997 году было установлено 1000 светодиодных светофоров в округе Садового кольца.

Всеволод Твердислов:

Такие фасеточные как бы появились.

Александр Юнович:

Да-да. И Москва тогда стала первым городом, в котором было массовое применение светофоров на светодиодах. Но главное применение – это общее освещение. То, что стало ясно в середине 90-х годов, что можно общее освещение пустить в освещение светодиодное и заменить лампы накаливания светодиодными лампами. Это стало ясно в середине 90-х годов. В 98-м году японские компании организовали национальную кампанию и разработали программу освещения XXI века. В 2001 году американцы схватились за голову, что они должны догонять японцев. И в 2002 году была создана программа американского применения светодиодов в освещении Solid-state lighting (твердотельное освещение). И они три года добивались того, чтобы Конгресс, Палата представителей и Сенат утвердили закон. По этому закону должна была быть разработана научная, техническая и торговая программа.

Всеволод Твердислов:

Общая программа. Это замечательно. Т.е. в принципе Соединенные Штаты сейчас четко идут по этой линии энергосбережения и эффективного освещения. Я сейчас хотел бы чуть-чуть сместить нашу тему обсуждения. Мне кажется вот, что современная урбанизация во всем мире, которая происходит, возникновение мегаполисов приводит к тому, что куда большая доля энергии, потребляемой мегаполисами, уходит на освещение. Потому что это не просто освещение улиц и пригородов, это еще и реклама, которая собирает колоссальную дань с энергопроизводителей. И тут как раз я думаю, очень важна роль будет в освещении фасадов в архитектуре как раз. И я хотел бы вот о чем сказать, что урбанизация ведет к тому, что мы заведомо должны перейти на новые источники освещения. И это то, что мы сейчас имеем, обязательно нужно, это сегодняшний день, но это уже не завтрашний день.

Александр Юнович:

Это не завтрашний день.

Всеволод Твердислов:

Расскажите.

Александр Юнович:

Завтрашний день. Вот пример настольной лампы, которую я получил от нашей московской фирмы ОПТЭК, которая потребляет всего только 4 ватта. Вы посмотрите яркие экраны вокруг, а она светит конкурентно. И благодаря тому, что вы можете подбирать люминофоры, подбирать разные светодиоды, вы можете сделать источник света холодного свечения, нормального свечения.

Всеволод Твердислов:

Т.е. там малая доля теплоты исходной, вот в чем дело.

Александр Юнович:

Да. Ведь можно сделать так, чтобы КПД преобразования по мощности был до 50% в принципе в теоретическом плане. И довести световую отдачу, вот оценки показывают, что возможно в промышленности иметь до 200 люмен на ватт, но это будет лет через пять, наверное. Но уже сейчас те светодиоды, которые выпускаются промышленностью, имеют световую отдачу 100-110 люмен на ватт. Но это промышленность, предположим, юго-восточной Азии, Штатов. Бежит европейская промышленность. Наши разработчики, в частности на «Светлана-Оптоэлектроника» в Петербурге получали денег в последние годы, наверное, в 10 раз меньше, чем эти американские фирмы, но уже отставание в разработках невелико, это 2-3 года. Если сейчас вложить в нашу промышленность и в научно-технические разработки силы, средства и организационные законные постановления правительства, мы можем иметь свою собственную светодиодную промышленность на таком же относительно уровне, как она была в прошлые годы.

Всеволод Твердислов:

Я думаю, ваш призыв будет услышан, потому что наши зрители обязательно донесут до тех, кто принимают решения ваши пожелания. Александр Эммануилович, еще одна тема внутри нашей общей проблемы общего обсуждения. Дело вот в чем, как только мы получаем источники света экономные, то в принципе во многих случаях отпадает нужда в линиях электропередач, потому что общее энергосбережение…

Александр Юнович:

Это очень интересно.

Всеволод Твердислов:

Это очень интересно, потому что как раз таки это обычно не обсуждается. В наших деревнях, как правило, бывает мало рекламы, по крайней мере, световой рекламы. Вы замечали, наверное. И я думаю, что в этих случаях, если коттеджные поселки, небольшие дома смогут собирать тот солнечный свет, которого у нас в принципе много и который уходит сразу в тепло при поглощении, то в принципе энергосберегающие системы освещения как раз то и найдут себя в том, что мы сможем на гигантских территориях России сэкономить на линиях электропередач. Т.е. в принципе новые полупроводниковые технологии электроосвещения приводят к тому, что мы можем сэкономить на передаче от мощных электростанций. Для производства алюминия всегда нужна будет мощная электростанция, но для освещения дома и бытовой техники она уже не нужна будет. Я думаю, что мы переходим к рассредоточенной, к распределенной системе.

Александр Юнович:

Вы совершенно правы, Всеволод Александрович. В Индии и в Китае, странах, где солнца больше и где техника, в общем, еще не на таком высоком уровне, как у нас в России, хотя они движутся со страшной скоростью вперед, этот вопрос сейчас стал очень остро. И сейчас в Индии все предприятия, которые должны производить светодиоды и солнечные фотоэлементы они существенно освобождаются от налогов для того, чтобы можно было в маленькой деревне иметь фотоэлемент, который собирает солнечную энергию днем и освещает светодиодной лампой хижину вечером. Это проблема светодиодного освещения. Это не только проблема светодиода, это проблема и конструкции лампы, и проблема управления лампы, потому что это же на каждый диод идет 3 или 2,5 или 2 вольта (голубой, зеленый и красный). От энергии кванта зависит напряжение светодиода. Значит, нужно соответствующие источники питания и преобразование переменного напряжения сети 220 вольт в постоянное напряжение, ну предложим стандарт в 12 вольт или в 24 вольта. Это одна проблема – проблема питания. Другая совершенно новая проблема, которая ставит полупроводники выше всех остальных, вы можете регулировать соотношение цветов. Вы можете сделать утром свечение подобное утреннему солнцу, днем – яркий белый свет, подобный дневному солнечному свету, а вечером человек нуждается в теплом желтоватом свете. Мало того, дети имеют другое цветовое восприятие, чем старики. Вы можете делать в детской комнате одно освещение, а в доме для престарелых другое.

Всеволод Твердислов:

Замечательно.

Александр Юнович:

И вот сейчас российские железные дороги приняли светодиодную программу, они внедряются очень сильно и в вагонах, и на вокзалах. Вот «Светлана-Оптоэлектроника» в этом тоже участвует. Российские железные дороги сейчас постановили, что любое внедрение светодиода должно сопровождаться управлением этим светом. Например, за счет каких-то интегральных схем, которые интеллектуально будут управлять светом. Это невозможно сделать ни с этими лампами, ни с лампами накаливания.

Всеволод Твердислов:

Александр Эммануилович, я думаю, что поскольку наша передача подходит к концу, вот это замечательное ваше предложение, чтоб дом менял освещение для того, чтоб поддерживать настроение людей, ведь действительно в кабинете мыслителя может меняться освещение – это замечательно.

Александр Юнович:

Я хотел бы сказать еще, что, конечно, нужно вкладывать большие деньги в это, но главное не только в деньгах. Главное в людях. Надо, чтоб люди были научены этому, чтобы мы готовили кадры. Чтобы студенты знали, что в этом направлении они смогут получить интереснейшую работу и делать полезные дела не только в отвлеченной науке, но в том науке, которая приносит радость и пользу людям. Для этого необходимо издавать книги.

Всеволод Твердислов:

Расскажите вот про эту книгу.

Александр Юнович:

Дело в том, что очень мало книг по светодиодам. Последняя толстая книга по светодиодам была опубликована у нас в 79-м году.

Всеволод Твердислов:

30 лет прошло.

Александр Юнович:

Вот эта книжка была написана профессором Шубертом из американского университета в Трое в 2006 году. И нам удалось очень быстро, уже в 2008 году, издать русское издание этой книги. Она была написана как учебник. Ее можно будет использовать. Но надо писать и свои книги. И надо сказать, что российские ученые очень много сделали в этом направлении. И тот коллектив, который есть, например, в Физико-техническом институте в Петербурге, тот коллектив, который есть у нас в Московском университете или в Томском университете или в Томском институте полупроводниковых приборов и в Академгородке в Новосибирске. И мы уверены, что есть у нас люди талантливые, способные, молодые, которые смогут это развивать.

Всеволод Твердислов:

Давайте пожелаем успехов нашим ученым, нашим инженерам и нашим зрителям. Спасибо, Александр Эммануилович.

Александр Юнович:

Спасибо вам, Всеволод Александрович за то, что вы меня пригласили. Мне кажется, очень важным рассказывать людям про эту проблему.

Всеволод Твердислов:

Спасибо.