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 LEDekV 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.
