Изобретенная Томасом Эдисоном лампа накаливания — не единственный возможный источник искусственного света. И не самый перспективный
Выходя на улицу Сан-Диего под ослепительное калифорнийское солнце, Грегори Хейнзингер откидывает крышки двух мобильных телефонов. Обычный экран бликует, так что изображение невозможно разобрать. На дисплее другого телефона, созданного по последнему слову нанотехнологий, изображение остается столь же четким и ярким, каким оно бывает на обычном экране в темноте.
Новый экран телефона, созданный фирмой Iridigm, которую год назад приобрел концерн Qualcomm за $170 млн, — поразительный скачок в искусстве управления светом. Эти дисплеи по сути — поля из микроскопических зеркал, способных смещаться всего на несколько сотен нанометров (нанометр — миллиардная часть метра) с тем, чтобы улавливать и преобразовывать в миллионы цветов естественный солнечный свет. Новый экран тратит ничтожное количество энергии аккумулятора в отличие от традиционного жидкокристаллического дисплея (LCD), который обычно бывает главным потребителем энергии в мобильном телефоне.
Хейнзингер, который курирует разработку технологии дисплеев в Qualcomm, утверждает, что новые экраны идеальны для грядущей эры видеомобильников. Они продлят действие аккумуляторов на треть в сравнении с сегодняшней нормой. В темноте дисплеям нужна будет подпитка от аккумуляторов, но даже в неярко освещенном помещении они будут отлично работать сами. «LCD борются с солнечным светом, — говорит Хейнзингер, — а мы его используем». Обычные и мобильные телефоны с новыми экранами от Qualcomm должны появиться в продаже в ближайшие два года.
Многие разработки последнего времени используют свет для хранения и передачи информации (вспомните DVD и оптоволоконные сети). Пришло время продолжить работу, которую начал Томас Эдисон, — осветить мир.
Работая в этом направлении, можно не изобретать ничего принципиально нового, а использовать методы, предложенные самой природой. Выпускник Массачусетского технологического института (MIT) Марк Майлс работал над вышеописанным дисплеем для Qualcomm, изучая сверкающие крылья бабочек и переливы оперения павлина. Богатая окраска животных возникает благодаря чрезвычайно умной эволюционной уловке — мельчайшим пузырчатым полостям, в которых световые волны преломляются под определенным углом.
С 2001 года Майлс потратил $18 млн инвестиций на разработку микромеханической матрицы, которая использует свет из окружающей среды для создания собственных буйных красок так, как это делают крылья бабочки. В будущем, утверждает Майлс, технологии биомимикрии можно будет использовать для создания новой «кожи» привычных нам вещей, будь то автомобиль или ноутбук. «Любую вещь можно превратить в дисплей не только для передачи информации, но и для придания ей внешнего лоска, — говорит он. — Так же, как вы сейчас загружаете на свой телефон мелодию звонка, можно будет загружать рисунки на крылья вашего автомобиля».
Научные работы в области использования света нацелены не только на улучшение внешнего вида потребительских товаров, но и на повышение их экономичности — новые разработки позволят сберечь сотни тысяч тонн нефти и других энергоносителей. В США на освещение расходуется 22% всей вырабатываемой электроэнергии, в том числе и потому, что существующие осветительные приборы — чрезвычайно неэффективное средство превращения электричества в видимый цвет. КПД обычной лампы накаливания едва достигает 2%. Если точнее, то один ватт входной мощности лампа преобразовывает в 10–15 люменов (люмен — единица измерения светового потока); если бы каждая единица энергии была напрямую преобразована в зеленый фотон (цвет, к которому глаз наиболее восприимчив), световой поток достигал бы 683 лм.
Лампы дневного света производят 50–100 лм на ватт, галогенные натриевые лампы — до 180 лм. Новая возможность — светодиоды (light-emitting diodes, LED). Эти полупроводниковые устройства преобразуют электрический ток в свет определенного цвета. Красные и зеленые LED применялись с 1960-х годов. В конце 1990-х появились синие светодиоды; при их смешении получается белый цвет, причем более «мягкий» для глаз, чем у ламп дневного света. Пять лет назад никому и в голову не приходило, что светодиоды могут когда-нибудь сравняться в КПД с лампой накаливания. Сегодня их производительность достигает почти 45 лм на ватт. Министерство энергетики США рассчитывает, что через шесть лет этот показатель возрастет до 150 лм, многие специалисты по светодиодам рассчитывают и на большее.
В десятках американских городов обычные лампы в светофорах уже заменены на светодиоды продолжительного действия. Салоны первого и бизнес-класса австралийской авиакомпании Qantas Airlines оснащены светодиодными излучателями. Морозильные камеры в некоторых магазинах сети Wal-Mart тоже оборудованы светодиодами — они нагреваются не так сильно, как обычные лампы.
Фред Шуберт, профессор Rensselaer Polytechnic Institute, пытается сделать LED достаточно «умными» для передачи информации. Источники света на основе LED гаснут и загораются мгновенно — ведь в них нет нити накаливания, которой, например, после прекращения подачи тока еще нужно время, чтобы остыть. Это позволит сообщать контролирующим сенсорам информацию по методу азбуки Морзе, только передающейся со скоростью света. Скажем, водитель рискует проехать на красный — но дорожный знак на основе LED успеет «подмигнуть» сенсорному устройству автомобиля; идущий впереди автомобиль резко затормозит, но сенсоры вашей машины успеют поймать сигнал от светодиодных стоп-сигналов лихача — в любом случае система автоматически затормозит быстрее, нежели ваш глаз через мозг передаст ноге сигнал нажать на тормоза. «Эдисон задавался вопросом: как создать свет? Теперь мы спрашиваем: какой свет нам следует создавать? А это уже совсем другой вопрос», — говорит Шуберт.
Компания Sunlight Direct уже обнаружила превосходный источник света — Солнце. Специалистам Sunlight Direct удается транслировать солнечный свет в закрытое помещение, «очищая» его по пути от излишнего жара и вредных ультрафиолетовых лучей. Вогнутое зеркало, установленное на крыше здания и связанное со спутником системы глобального позиционирования, поворачивается вслед за солнцем. Зеркало «собирает» солнечный свет, который по оптоволоконным кабелям подается внутрь помещения.
Исполнительный директор Sunlight Direct Дункан Эрл говорит, что новая система использует природный свет гораздо эффективнее обычных солнечных батарей. Последние преобразуют фотоны в электричество, а электричество обратно в фотоны, теряя 98% получаемой энергии солнечного света. «Это стыд и позор. Если бы нам удалось просто впустить дневной свет в дома, то мы сберегли бы огромное количество электроэнергии», — говорит Эрл, который начинал разработку этой технологии в Окриджской национальной лаборатории по атомной энергии. Его система позволяет транслировать в помещения уже 50% солнечной энергии; правда, при передаче по кабелю на расстояние свыше 10 м потери энергии серьезно возрастают. Впрочем, компания Wal-Mart уже взялась протестировать разработку Sunlight Direct в своем магазине в Мак-Кинни (Техас).
Еще одно препятствие на пути технологий Sunlight Direct — цена оборудования: преобразователь солнечного света, рассчитанный на освещение 90 кв. м, обходится в $24‑000. На Гавайях, где солнце светит ярко, а цены на электричество устойчивы, на иллюминацию помещения такой площади обычным способом уходит около $3000 в год; это означает, что вложения в аппаратуру Sunlight Direct здесь окупятся только через восемь лет. Эрл надеется, что к следующему году цену осветительного прибора удастся снизить до $12‑000.
Люди, вполне естественно, предпочитают солнечный свет искусственному, отмечает Эрл, в особенности это касается торговцев, так как при плохом освещении товары имеют бледный вид. Большинство просто не замечает, сколь тускло освещен их мир, говорит глава Sunlight Direct, и они будут приятно удивлены грядущими усовершенствованиями. «Это лучше любого света, который вы можете купить», — не без хвастовства добавляет он.