Ontwikkelingen rond kunstmatig licht - LED verlichting

Al heel vroeg werden in Litouwen grote sprongen voorwaarts gemaakt op het gebied van onderzoek naar en toepassing van kunstmatig licht. "Als we het aanraken, zal het licht zich in een oneindig aantal kleine lichtjes splitsen die vanaf de heuvel over uw huizen schijnen."

Deze zin komt uit het begin van 's werelds eerste monografie over kunstmatige verlichting. Ze komen uit "De Lamp van Geluk" van Jonas Biliūnas, een bekend verhaal voor veel Litouwers. Dit is niet verwonderlijk, aangezien twee van de drie auteurs van het boek `Introduction to Solid-State Lighting`, dat sinds kort ook in China beschikbaar is en wordt gebruikt als een naslagwerk in tal van universiteiten en laboratoria ter wereld, uit Litouwen komen.

Eén van hen is professor Arturas Žukauskas, in 2008 winnaar van de nationale prijs voor de wetenschappelijke vooruitgang. Hij is hoofd van het Instituut voor Materiaal-wetenschappen en Toegepast Onderzoek van de Universiteit van Litouwen, en werkt aan onderzoek en ontwikkeling op het gebied van kunstmatig licht.

Hij is co-auteur van ongeveer 200 wetenschappelijke publicaties en heeft honderden voordrachten op conferenties gehouden. Zijn team van wetenschappers doet op dit moment onderzoek naar een nieuwe generatie halfgeleiders en hun structuren, die kunnen worden gebruikt voor het genereren van licht. Ze ontwikkelen ook technologieën op basis van light-emitting diodes (LED's) voor algemene verlichting, foto-therapie, tuinbouw, optische metingen en de identificatie van chemische verbindingen en biologische agentia.

Meer licht dan warmte

Het hedendaagse leven is onmogelijk zonder kunstmatige lichtbronnen. Mensen gebruiken in het dagelijks leven veel licht. Kunstlicht verbruikt ongeveer twintig procent van het elektrisch vermogen dat jaarlijks wordt gegenereerd. De energie-efficiëntie bij het gebruik van conventionele lichtbronnen is laag. De effectiviteit van de populaire gloeilampen ligt bijvoorbeeld tussen de slechts 5 en 7 procent. De meest efficiënte conventionele lichtbronnen, TL-en hoge-druk natrium lampen hebben een effectiviteit van onder de dertig procent. Met andere woorden, de bestaande lichtbronnen produceren meer warmte dan licht, zijn erg onrendabel en verspillen elektrische energie.

Lichtbronnen gemaakt van halfgeleiders of van LED's zijn het beste om elektrische energie om te zetten in licht. De invoering hiervan zou de wereld enorme economische voordelen kunnen geven. Verwacht wordt dat de invoering van deze lichtbronnen economische voordelen zullen opleveren ter waarde van 100 miljard dollar per jaar. Ook de voordelen voor het milieu als gevolg van de verminderde productie van kooldioxide zullen substantieel zijn.

Een 60 procent efficiëntie van halfgeleider-lampen is in onderzoekslaboratoria reeds bereikt. In theorie zou dit zelfs boven de 100 procent uit kunnen komen. Dit komt omdat het principe van de LED's uitgaat van zelf-koeling van de halfgeleider-chips: daarom kunnen ze niet alleen elektrische stroom omzetten in licht, maar wordt er ook gebruik gemaakt van de omgeving.

De lampen bevatten geen schadelijke stoffen, zodat ze milieuvriendelijk zijn. Ze hebben een levensduur van maximaal 200.000 uur, dus ze branden eindeloos. Daarnaast zijn ze mechanisch robuust, kennen geen abrupte storingen en gebruiken ze een lage spanning, waardoor ze niet alleen veilig zijn maar ook eenvoudig te integreren in computer-gestuurde systemen voor intelligente verlichting.

Hoewel de prijs van LED's tot nu toe relatief hoog is, groeit de vraag naar deze producten jaarlijks. Lampen op basis van halfgeleider technologie met LED's met hoge helderheid zijn nu al in vele steden, onder meer in Litouwen, te vinden.

Gigantische video-schermen met zeer intense en felle kleuren welke in direct zonlicht gewoon zichtbaar zijn, maar ook stoplichten welke geen last hebben van inkomend zonlicht zijn zuinig en hebben een lange levensduur. In nieuwe auto's worden LED's gebruikt voor de richtingaanwijzers. Zij hoeven nooit vervangen te worden omdat de lichtjes een langere levensduur hebben dan de auto zelf. Aangezien de prijs van LED's voortdurend daalt (met ongeveer een tienvoud per decennium) is de prognose is dat tegen het einde van het eerste decennium van deze eeuw de eerste verlichting z'n intrede doet in onze huizen en op onze werkplekken.

Een onderzoekscentrum

Remigijus Gaška (Remis Gaska), afgestudeerd aan de Universiteit van Vilnius en een co-auteur van de monografie, woont nu in de Verenigde Staten. Hij is directeur van Sensor Electronic Technology Inc, een high-tech bedrijf dat de meest geavanceerde licht-afgevende ultraviolet licht-dioden produceert. In 1998 startte hij het onderzoek naar halfgeleider verlichting en de ontwikkeling van deze veelbelovende technologie aan het Institute of Materials Science and Applied Research in Vilnius.

Mede door professor Žukauskas zijn inspanningen werd het Centrum voor Licht Technologie opgericht. Het centrum werd met steun van de Europese Commissie in Litouwen opgezet in Litouwen met een belangrijke taak: het verrichten van onderzoek naar materialen die kunnen worden gebruikt bij de productie van halfgeleider verlichting en het bevorderen van het gebruik ervan.
Onderzoekers uit veel verschillende landen brachten nieuwe halfgeleidende materialen en licht-emitterende structuren naar Vilnius voor onderzoek naar het gebruik van de unieke methoden die zijn ontwikkeld door fysici uit Litouwen. Het is heel goed mogelijk dat er een begin wordt gemaakt met de productie van dergelijke materialen en de fabricage van lampen in een van de technologische valleien die in Litouwen worden ontwikkeld.

LED lampen zijn het enige realistische alternatief om huizen in verafgelegen dorpen te verlichten waar nog geen elektriciteit netwerken voor handen zijn. Dit geldt voornamelijk voor ontwikkelingslanden. Om dit te bereiken leiden onderzoekers van de Universiteit van Vilnius specialisten op voor de Universiteit van Kathmandu in Nepal.

De kwaliteit van het licht

Litouwse onderzoekers hebben grote vorderingen geboekt bij de verbetering van de kwaliteit van wit licht gegenereerd door LED lampen. Ze hebben methoden en programma's ontwikkeld voor het ontwerpen van bronnen van wit licht bestaande uit meer dan drie primaire kleuren. Veel mensen weten hoe wit licht te verkrijgen met behulp van rood, groen en blauw.

Om een hoge kwaliteit wit licht te krijgen, waarmee de kleuren van een object in de juiste perceptie worden verlicht, zijn vier of meer soorten van gekleurde LED's nodig. Aangezien wit verkregen kan worden uit vier kleuren in een oneindig aantal combinaties, het is een zeer uitdagende opgave om te ontdekken wat de optimale varianten zijn. Nadat Žukauskas samen met zijn Amerikaanse collega's het probleem hadden gedefinieerd, was het aan de wiskundigen van de Universiteit van Vilnius om het op te lossen. Het resultaat van hun werk is de theoretische basis voor de ontwikkeling van meer kleurige LED's. Litouwse wetenschappers hebben ook aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het ontwerpen van LED's met verbeterde kleur weergave.

Afstemming van het licht spectrum

De mogelijkheid om het licht spectrum van LED's af te stemmen biedt andere mogelijkheden voor de toepassing ervan. Er is een systeem gepatenteerd dat er met behulp van hulp licht voor zorgt dat de kwaliteit van groenten welke in kassen worden geteeld sterk verbeterd. Dit systeem wordt al toegepast. Inmiddels gebruikt het Instituut voor Tuinbouw in Babtai al een industrieel prototype van een lamp ontwikkeld van verschillende soorten LED's. Als sla bladeren met de lamp zijn behandeld neemt het nitraatgehalte af en de hoeveelheid vitaminen en andere nuttige stoffen neemt toe. De groenten krijgen een betere smaak en zijn gezonder om te eten.

In samenwerking met de Universiteit van Vilnius voert het instituut experimenten uit om erachter te komen wat voor soort verlichting planten stimuleert om te groeien en wortel te schieten of om tot bloei te komen en vruchten te laten rijpen. Met andere woorden, LED's maken het mogelijk om maatwerk voor verschillende planten te leveren waarbij deze planten zo optimaal mogelijk kunnen groeien. Dit is een belangrijk onderzoeksterrein waarvan de resultaten enorme economische gevolgen kunnen hebben. Het in Vilnius ontwikkelde principe is uniek in de wereld.

Opsporing

Ultraviolette LED's ontwikkeld door het bedrijf Gaska openen nieuwe mogelijkheden voor het opsporen van biologische gevaren. Deze piepkleine bronnen van straling op een korte golflengte zijn onmisbaar voor de snelle detectie van biologische gevaren. Door gebruik te maken van ultraviolet licht gemoduleerd met een hoge frequentie is een technologie ontwikkeld die het mogelijk maakt verhoogde concentraties bacteriën in de lucht heel snel op te sporen. Deze toepassing is zeer belangrijke voor milieu-controles, evenals voor de strijd tegen bioterrorisme. De methode kan ook gebruikt worden in medische apparatuur.