Čtvrtek 2. prosince 2021, svátek má Blanka
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Čtvrtek 2. prosince 2021 Blanka

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...

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

Silná sluneční bouře může uvrhnout do tmy celé kontinenty, varuje vědkyně

Koronavirová pandemie nám ukázala, že nejsme na podobnou krizi připraveni. Podle amerických vědců bychom na tom byli...

Startujeme německý tankový motor z války, desetiletí pohřbený v bahně

Takhle zní zrekonstruovaný motor Maybach HL 120 TRM z německého útočného děla StuG. Strávil celá desetiletí pohřben v...

Padl jeden z důvodů, proč nemít Windows 11. Vraťte si Start a hlavní panel

S Windows 11 chce Microsoft vstoupit do nové éry používání počítačů a kvůli tomu změnil dvě z hlavních součástí...

Ušetřit, nebo připlatit? Co znamená devět tisíc korun při výběru notebooku

Premium Jeden je za 12 990 Kč, druhý za 21 990 Kč. Obě jsou to novinky s Windows 11, Full HD displejem, SSD úložištěm a...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

Pět největších nesmyslů tradovaných o druhu Tyrannosaurus rex

Dravý dinosaurus druhu Tyrannosaurus rex vyhynul před nepředstavitelně dávnou dobou 66 milionů let. I když toho o něm...

Blogera připravil lajdáctvím o nohu, další zranil. Za nehodu dostal podmínku

Premium S podmínkou na pět let odešel od soudu čtyřiačtyřicetiletý Moldavan. V červenci 2019 způsobil na obchvatu Chrudimi...

Přes víkend zemřou všichni z JIP. Sestra vypráví o práci v době covidu

Premium Markéta Svobodová, hlavní sestra z Masarykovy nemocnice v Ústí nad Labem, stojí spolu s dalšími šesti kolegyněmi z...

Android Auto a CarPlay v každém autě. Poradíme vám, jak na to

Premium Chcete používat oblíbenou navigační aplikaci na displeji v autě místo telefonu? Přečtěte si, jak to udělat a neutratit...

  • Další z rubriky

Pět největších nesmyslů tradovaných o druhu Tyrannosaurus rex

Dravý dinosaurus druhu Tyrannosaurus rex vyhynul před nepředstavitelně dávnou dobou 66 milionů let. I když toho o něm...

STO OBJEVŮ: Kalašnikov je zbraň, která postřílela nejvíc lidí na světě

Seriál Žádnou jinou zbraní nebylo zastřeleno tolik lidí. Po celém světě rozšířená sovětská útočná puška AK-47 vzbuzuje...

Fosilie, které „zapomněly“ zkamenět, možná otevřou dveře k Jurskému parku

O možném dochování původního organického materiálu či jeho extrémně dobře zachovaných „otiscích“ ve fosilním záznamu se...

STO OBJEVŮ: Kdo odhalil tajemství pravotočivé dvoušroubovice DNA

Deoxyribonukleová kyselina je považována za „stavební plán života“. S výjimkou jednovaječných dvojčat má od počátků...

Advantage Consulting, s.r.o.
CNC SEŘIZOVAČ - ABSOLVENT(30 - 35 000 Kč)

Advantage Consulting, s.r.o.
Královéhradecký kraj
nabízený plat: 30 000 - 35 000 Kč

Neočkovaný herec Etzler je na kyslíku s oboustranným zápalem plic

Miroslav Etzler skončil s covidovou atakou a oboustranným zápalem plic v nemocnici. Své příznivce na sociálních sítích...

Světem se kvůli mutaci valí lavina výprodejů. Padají akcie, ropa i bitcoin

Kvůli nové mutaci koronaviru, která byla detekována v Jihoafrické republice, klesly v pátek asijské akcie nejvíce za...

Michal po mně skočil, popsala start intimního života zrzka z experimentu

Z šesti dvojic televizní Svatby na první pohled čeká rozhodnutí už jen tři páry. Jarda s Romanou spolu zůstali, vztah...

Zákeřná rakovina endometria. Jaké jsou varovné příznaky?

O rakovině děložního čípku se hovoří často, už proto, že je jí možné předejít očkováním. Ženské orgány však může...

Žena u porodu dítěte kamarádky zjistila, že ho má s jejím manželem

Osmadvacetiletá Hailey Custerová z Arizony zažila nepříjemný šok, když pomáhala přivést na svět dítě nejlepší...