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 PUSTIT SVĚTLO VEN
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 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.
... „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. |
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. 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), volbou jiných materiálů či zvyšováním 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.
BARVA PODLE TRADICE
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.
Kvůli své nízké efektivitě by dnes tepelné žárovky (s určitými výjimkami) ke svícení na trhu dostupné být neměly. Nová technologie by to mohla změnit, potvrdil pro média představitel českého ministerstva životního prostředí.
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 zpracovávaných 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.
/jj/
FOTO: Zdroj: MIT