مجید جویا: لامپی که هم‌اکنون در یک ایستگاه آتش‌نشانی در لیورمور کالیفرنیا روشن است و به نام روشنایی سده مشهور شده، قدیمی‌ترین لامپ حبابی رشته‌ای دنیا است که هنوز هم کار می‌کند. این لامپ 4 واتی در سال 1290 / 1901 روشن شد و از آن زمان تاکنون تقریبا بدون وقفه کار می‌کند، و در طول عمر خود (که به 108 سال می‌رسد) تقریبا 3500 کیلووات ساعت انرژی مصرف کرده است.
ولی این لامپ به‌رغم عمر 108 ساله‌اش، بسیار آشنا به نظر می‌رسد: فناوری به کار رفته در این لامپ در طول 108 سال گذشته، تقریبا هیچ تغییری را به خود ندیده و لامپ‌های رشته‌ای کنونی نیز با همان فناوری تولید می‌شوند. درون حباب آن، یک رشته از ماده‌ای رسانا (که در زمان تولید این لامپ، کربن بود و برای نوادگان امروزی آن تنگستن است) قرار دارد. با عبور جریان برق از درون آن، این رشته تا حدی گرم می‌شود که نور سفیدی را از خود می‌تاباند و می‌تواند کل اتاق را روشن کند.
طرح آن ساده، روان و ارزان است و به همان اصولی وفادار مانده که توماس ادیسون برای ساخت اولین لامپ حبابی موفق خود در دهه 1880 / 1260 بهره برد، اصولی که سبب شد این لامپ‌ها برای اولین بار هم بتوانند نور را به خانه‌ها ببرند و هم سود حاصل از آن را به جیب همکاران ادیسون سرازیر کنند و به این ترتیب عصر الکتریسیته شروع شود.
تغییر در راه است
ولی پژوهش‌های اخیر، خبر از پایان دوران حکومت این فناوری بر دنیای روشنایی داده است. در دنیای امروز که تشنه استفاده از تمام منابع انرژی است، اتلاف انرژی 98 درصدی این لامپ‌ها، چیزی نیست که بتوان به سادگی از کنار آن گذشت، در این لامپ‌ها تنها 2% از انرژی مصرفی به نور تبدیل می‌شود و 98% بقیه به صورت گرما به هدر می‌رود. حتی لامپ‌های هالوژن نیز که از فناوری پیچیده‌تری بهره می‌برند، به‌همین مقدار اتلاف انرژی دارد.
وقتی این اتلاف انرژی را در تعداد لامپ‌هایی که در مصارف خانگی، تجاری، صنعتی و روشنایی عمومی در سراسر دنیا مورد استفاده واقع می‌شوند ضرب کنیم، به روشنی در می‌یابیم که چرا خیلی از کشورها به دنبال یافتن راهی برای خلاص شدن از شر این لامپ‌ها می‌گردند. برای روشن‌تر شدن میزان اتلاف انرژی این لامپ‌ها کافی است به این نکته اشاره کنیم که تنها در ایالات متحده بیش از 4 میلیارد لامپ حبابی برای روشنایی استفاده می‌شود.
البته اقداماتی نیز برای حل این مشکل صورت گرفته است. برای مثال، استرالیا در سال 2007 / 1386 با وضع قانونی به اولین کشوری تبدیل شد که تصمیم به محدودیت استفاده از این لامپ‌ها گرفت: این کشور قصد دارد تا سال 2012 / 1391 به کلی استفاده از این لامپ‌ها را کنار بگذارد. کشورهای عضو اتحادیه اروپایی نیز در سال 2008 / 1387 تصمیم مشابهی گرفتند. ایالات متحده نیز سال 2014 را برای حذف این لامپ‌ها اعلام کرد.
کارل لئو، کارشناس اپتوالکترونیک و موسس شرکت Novaled در درسدن آلمان که به کار ساختن لامپ‌های ال.ای.دی آلی، او.ال.ای.دی مشغول است، می‌گوید: «حوزه روشنایی، حوزه کاملا محافظه‌کاری است و در نتیجه دولت‌ها برای ایجاد چنین تغییری، فشار زیادی را به این حوزه وارد کنند».
ولی تغییر به چه چیزی؟ به رغم فواید محیط‌زیستی و اقتصادی حذف لامپ‌های رشته‌ای، هنوز مشخص نیست که چه چیزی باید جای آن را بگیرد.
مهتابی، تنها جایگزین فعلی
در حال حاضر تنها فناوری تکامل یافته‌ای که بتواند جایگزین لامپ‌های رشته‌ای بشود، لامپ فلورسنت است که می‌تواند بین 10 تا 15% از انرژی مصرفی را به نور تبدیل کند. فناوری فلورسنت به نسبت روزهای اولیه ظهورش که یک فناوری بی‌نام و نشان با نورهای تند و رنگ‌های مسخره بود، رشد قابل ملاحظه‌ای داشته و به دلیل مصرف کمتر انرژی و عمر طولانی‌تر در مقایسه با لامپ‌های رشته‌ای، در مصارف صنعتی و تجاری تبدیل به روشنایی غالب شده است. در سال‌های اخیر حباب‌های فشرده فلورسنت، که می‌توان آنها را با سرپیچ‌های معمولی لامپ‌های رشته‌ای نیز مورد استفاده قرار داد، راه خود را به درون خانه‌ها پیدا کرده‌اند.
ولی نور فلورسنت مشکلات خاص خود را دارد. برای مثال، این لامپ‌ها در دماهای پایین خوب کار نمی‌کنند، و اگر به دفعات روشن و خاموش شوند عمر آنها به شدت کاهش می‌یابد. و بدتر از همه آنها این که این لامپ‌ها حاوی مقادیر اندک جیوه هستند، که گازی سمی است. این امر سبب می‌شود که بعد از اتمام عمر این لامپ‌ها، با مشکل بازیافت آن روبرو شویم.
بعضی‌ها نیز با نور این لامپ‌ها مشکل دارند، بازتاب نور اشیا زیر نور این لامپ‌ها با بازتاب زیر نور طبیعی خورشید متفاوت است. به رغم پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای که در ساخت این لامپ‌ها صورت گرفته است، مصرف کنندگان خانگی به نورهای گرم‌تر لامپ های رشته‌ای (که کمی هم به قرمزی می‌زند) تمایل خیلی بیشتری دارند. چارلز هانت، از مهندسین برق دانشگاه کالیفرنیا در دیویس، می‌گوید «علاقه و انس به یک نور خاص، بستگی به جنسیت (زنان به نورهای گرم‌تر، رنگی‌تر و ملایم‌تر تمایل دارند) و منطقه زندگی افراد (مردم شمال اروپا نورهای گرم‌تر را ترجیح می‌دهند در حالی که مردم مناطق گرم‌تر جنوبی به نورهای سردتر و مخصوصا آنهایی که به آبی می‌زنند علاقه دارند) دارد».
مسئله دیگر این است که در لامپ‌های فلورسنت برای استفاده از کلیدهای تنظیم نور، یک مدار اضافی خاص مورد نیاز است؛ در حالی که مردم دوست دارند خودشان نور لامپ را تنظیم کنند (تا جایی که نور 50% لامپ‌ها در ایالات متحده قابل تنظیم است).شاید بتوان این مشکلات را حل کرد؛ ولی اینقدر جدی هستند که تا کنون مانع از تلاش مبتکرین و نوآوران برای فعالیت در این زمینه شده‌اند.
سرمایه گذاری سنگین
شاید قابل انتظارترین فناوری برای رقابت با فناوریهای کنونی استفاده از ال‌ای‌دی باشد، این چراغ‌ها از دو نوع نیمه‌رسانا متصل به هم استفاده می‌کنند. هنگامی که ولتاژ به این چراغ اعمال می‌شود، بارهای مثبت که از یک سو می‌آیند به سمت محل اتصال شارش می‌کنند و با بارهای منفی سوی دیگر تصادم می‌کنند. هنگامی که این بارها با هم برخورد می‌کنند، انرژی خود را به صورت نور آزاد می‌کنند، که معمولا به صورت تک رنگ است.
ال‌ای‌دی‌ها عمر طولانی دارند، تحمل بالاتری دارند و بازدهی آنها تقریبا دو برابر لامپ‌های فلورسنت است. در حقیقت، از آنها به طور گسترده‌ای در کامپیوترها، تلویزیون‌ها و دیگر مصرف کنندگان الکترونیکی استفاده می‌شود و در حال تصاحب سهم اصلی بازار در کاربری‌های بیرونی مانند چراغ‌های ترافیک و چراغ‌های اتومبیل‌ها هستند. هانس ون‌اسپرانگ، یکی از دانشمندان ارشد آزمایشگاه‌های تحقیقاتی شرکت فیلیپس در آیندهوون هلند است که می‌گوید: «ال‌ای‌دی‌ها مزایای زیادی دارند و به همین دلیل ما فکر می‌کنیم که آینده بازار در اختیار این فناوری خواهد بود». فیلیپس و دیگر شرکت‌های بزرگ صنعتی، در حال انجام سرمایه گذاری‌های گسترده بر روی این فناوری هستند، و از پژوهش‌ها روی علم مواد نیز حمایت می‌کنند؛ در حقیقت پژوهش‌هایی از این دست بوده‌اند که به رشد فناوری ال‌ای‌دی کمک کرده‌اند.
ولی به رغم تمام این موارد هنوز فناوری ال‌ای‌دی برای کاربردهای روشنایی در مقیاس وسیع مورد پذیرش واقع نشده است. یکی از مشکلات این است که یک لامپ ال‌ای‌دی که برای روشنایی یک اتاق مناسب باشد در مقایسه با یک لامپ رشته‌ای هزینه اولیه خیلی زیادی دارد. این می‌تواند یک مانع خیلی بزرگ روانی برای مصرف کنندگان باشد؛ حتی اگر در مجموع هزینه انرژی مصرفی آن خیلی کمتر از رقیب خود باشد و طول عمر خیلی بیشتر آن نیز این اختلاف قیمت را جبران کند. مشکل دیگر این است که طول عمر این لامپ وابستگی زیادی به دمای آن دارد. این مسئله اتلاف انرژی را به یک مسئله خیلی مهم در این لامپ‌ها بدل می‌کند، مخصوصا برای لامپ‌های پر قدرت، و همین امر تلاش‌ها را برای کاهش هزینه با مشکل روبرو می‌کند. ساختن نیمه رسانا‌های ال‌ای‌دی از زیرلایه‌هایی غیر از یاقوت کبود می‌تواند خیلی ارزان تر باشد، و جایگزین‌هایی مانند زیرلایه‌های سیلیکونی، می‌توانند مشکل گرما را نیز حل کنند.
یک مشکل دیگر این است که چگونه ال‌ای‌دی با نور سفید بسازیم. راه حل مطلوب برای دستگاه‌های کنونی موجود در بازار پوشاندن یک ال‌ای‌دی آبی یا ماورائ بنفش با یک ماده شب‌تاب فسفری است که تابش‌های تک رنگ را به خود جذب می‌کند و بعد آن را به صورت یک نور سفید با طیف وسیع باز می‌تاباند. راه حل دیگر که صرفه جویی انرژی بیشتری دارد، ترکیب ال‌ای‌دی‌هایی با نورهای قرمز آبی و سبز است. ولی هر دوی این روش‌ها در زمینه بازتاب نور با مشکل مواجهند. و دومین روش مشکل دیگری نیز دارد و آن هم این است که طول عمر سه نوع مختلف ال‌ای‌دی با هم یکی نیست، در نتیجه با گذشت زمان نور این لامپ عوض می‌شود. این همان مشکل اصلی روشنایی است: تنها لامپی که بهترین و طبیعی‌ترین نور را تولید می‌کند همان قدیمی‌ترین آنها است که کمترین بهره‌وری انرژی را دارد.
یک راه حل بالقوه دیگر، هم اکنون در دانشگاه وندربیت در نشویل ایالت تنسی و توسط تیم تحقیقاتی به رهبری خانم ساندرا روزنتال که یکی از شیمی‌دانان این دانشگاه است در حال آزموده شدن است. ایده او این است که از یک ال‌ای‌دی ماورا بنفش برای انرژی دادن به الکترون‌ها در یک کریستال کادمیوم سلنوئید استفاده شود. سپس این کریستال با بازتابش نور سفید با طیفی بسیار شبیه به نور طبیعی عکس العمل نشان خواهد داد.
ترکیب‌های آلی که هم اکنون در سلول‌های خورشیدی به آنها به چشم جایگزین احتمالی برای سیلیکون نگریسته می‌شود، می‌توانند در ال‌ای‌دی‌ها نیز به کار گرفته شوند. او‌ال‌ای‌دی‌ها نور را به روشی مشابه ال‌ای‌دی‌ها تولید می‌کنند، با این تفاوت که در انها بارهای مثبت و منفی به جای نیمه‌رسانا‌ها در ترکیبات آلی تولید می‌شوند. مزیت این ال‌ای‌دی‌ها دست کم در تئوری این است که تولید آنها ارزان‌تر خواهد بود.
مشکل اصلی با او‌ال‌ای‌دی‌ها این است که مواد آلی در تماس با آب و اکسیژن تجزیه می‌شوند که این سبب کاهش طول عمر این دستگاه‌ها می‌شود. البته این مشکل تا حدی قابل حل است، و می‌توان ترکیبات آلی را در یک لایه پلیمر شفاف پوشاند. ولی با این وجود هم این ترکیبات تجزیه می‌شوند، مخصوصا او‌ال‌ای‌دی‌های آبی که برای ترکیب با نورهای قرمز و سبز در تولید نور سفید مورد نیازند.
منبع خارجی
البته جدای از این‌ها انواع دیگر لامپ مانند لامپ‌های القایی نیز وجود دارند. لامپ‌های القایی، در دهه 1890 به بازار ارائه شدند، زمانی که نیکلا تسلا یک نور فلورسنت را تولید کرد که توان مصرفی آن به جای این که از الکترودهایی در درون حباب آن تامین شود از نوسان جریان در سیم پیچ‌هایی بیرون حباب تامین می‌شد.
این لامپ‌ها هیچگاه نتوانستند به جریان اصلی بازار تبدیل شوند، ولی اکنون کسانی وجود دارند که می‌گویند بالاخره زمان برای این لامپ‌ها فرا رسیده است. حباب‌های جدیدترین نسل این لامپ‌های بی‌الکترود با گاز آرگون به علاوه مقادیر کمی از نمک‌های متال هالید پر شده‌اند. یک مولد مایکروویو، موجی را تولید می‌کند که روی حباب متمرکز می‌شود و در انجا گاز را یونیزه می‌کند تا یک محیط پلاسما به وجود بیاید و نمک بخار شود. پلاسما و بخار در ترکیب با هم می‌توانند یک نور سفید با طیف گسترده تولید کنند که تا حد زیادی شبیه نور ال‌ای‌دی است. نور این چراغ‌ها درخشندگی زیادی نیز دارد، که به این ترتیب می‌توان از آنها در کاربردهایی که نیاز به نور شدید دارد استفاده کرد، مانند نورهای صنعتی.
رابین دوونشایر، سرپرست تیم دانشمندان شرکت کراویژن در ملتون کینز انگلستان، که به تحقیق روی این فناوری مشغول است می‌گوید: «برای ال‌ای‌دی‌ها زمان بسیار بسیاز زیادی به طول خواهد انجامید که بتوانند به این شدت نور دست پیدا کنند». از آنجا که در این لامپ‌ها الکترودها در تماس با محیط پلاسما قرار نمی‌گیرند، دست کم به طور نظری می‌توانند برای چند ده سال عمر کنند.
لامپ‌های لومینانس کاتدی مانند حباب‌های اشعه کاتدی که در تلویزیون‌های قدیمی مورد استفاده قرار می‌گرفتند عمل می‌کنند. این لامپ از یک منبع الکترون برای بمباران یک ماده درخشان فسفری که روی لایه داخلی حباب را پوشانده استفاده می‌کند و سبب می‌شود که آن ماده از خود نور بتاباند. از یک میدان الکتریکی، دمای بالا یا تاثیرات فوتوالکتریک برای واداشتن یک سطح فلزی به تاباندن نور استفاده می‌شود. بهره وری انرژی چنین منبع نوری نسبتا خوب است و قابل مقایسه با لامپ‌های فلورسنت فشرده. نور آن طبیعی است و می‌توان آنها را به گونه‌ای ساخت که شبیه به لامپ‌های رشته‌ای به نظر برسند. کاربرد عمده آن نیز در منازل خواهد بود.
با این وجود، هم لامپ‌های القایی و هم لامپ‌های لومینانس کاتدی یک مشکل مشترک دارند. دیوید پلتون رئیس مرکز فناوریهای نور دانشگاه کالیفرنیا، آن را این گونه شرح می‌دهد: «در صنعت با شک و تردید با فناوری‌هایی که از حالت جامد استفاده نمی‌کنند برخورد می‌شود». این تا حدی به این دلیل است که دستگاه‌های حالت جامد مانند ال‌ای‌دی‌ها از طول عمر خیلی بالایی برخوردارند و به خوبی شرایط دشوار را تحمل می‌کنند. دلیل دیگر آن نیز این است که نسل قبلی لامپ‌های القایی که از گوگرد استفاده می‌کردند در بازار با شکست مواجه شدند. لامپ‌های گوگردی درخشان و با بهره‌وری خوب بودند ولی خیلی دراز بودند و نیاز به سیستم خنک کننده برای جلوگیری از ذوب شدن قطعات در اثر دمای بالای پلاسمای گوگرد داشتند.
رقابت آتشین
رقابت برای جایگزینی لامپ‌های رشته‌ای در حال داغ شدن است. ولی هیچ یک از فناوریهای رقیب نتوانسته‌اند در زمینه پذیرش از سوی مصرف کنندگان به موفقیتی دست بیابند. یکی از مشکلات این است که مردم در مقابل این همه فناوری گیج شده‌اند. دیگری این است که این وسایل از اجزای زیادی تشکیل شده‌اند، در نتیجه طول عمر و میزان صرفه جویی در مصرف انرژی که برای فناوری پایه هریک از این‌ها محاسبه شده در مورد کل مجموعه به همراه قطعات جانبی صدق نمی‌کند، و تفاوت چشمگیری با لامپ‌های رشته‌ای ندارد. برای مثال در لامپ‌های ال‌ای‌دی، قطعات الکترونیکی خیلی زودتر از خود قطعه حالت جامد خراب می‌شوند. آمار وزارت انرژی ایالات متحده که در سال 2008 منتشر شد مشخص کرد که بهره‌وری لامپ‌های ال‌ای‌دی موجود در بازار تقریبا نصف لامپ‌های فلورسنت است. و به رغم این که از آن زمان تا کنون پیشرفت‌های خوبی حاصل شده، مشکل کماکان به قوت خود باقی است.
در همین حال، به دلیل این که پذیرش گسترده این فناوری‌ها برای تغییر ذائقه مصرف کنندگان (و در نهایت برای صرفه جویی در مصرف مقادیر زیادی از انرژی) لازم است، دولتمردان به دنبال این هستند که از تکرار اشتباهاتی که در مورد فناوریهای پیشین اتفاق افتاد جلوگیری کنند؛ مانند لامپ‌های فلورسنت اولیه که سبب شدند که بسیاری از مصرف کنندگان از این لامپ‌ها متنفر شوند. اگر یک فناوری در ابتدا با دید منفی مصرف کنندگان مواجه شود، این می‌تواند پیشرفت و تکامل آن را به مخاطره بیندازد. اظهار نظرها در وبسایت‌ها در مورد این خبر که به زودی باید با لامپ‌های رشته‌ای خداحافظی کرد این نکته را مشخص ساخته که نظر خیلی از مردم در مورد لامپ‌های فلورسنت در طول زمان تغییر نیافته است. هزینه، نور غیر طبیعی، سوسو زدن و وجود جیوه تنها بخش کوچکی از انتقادات مردم هستند. نورهای فلورسنت هنوز بخش کوچکی از بازار را در مقابل لامپ‌های پر مصرف‌تر در اختیار دارند.
با توجه به تمام این دلایل، لامپ‌های حبابی رشته‌ای همه منظوره کنونی را نمی‌توان فقط با یک منبع جدید جایگزین کرد، بلکه یک دسته از فناوری‌ها که هر یک از آنها به بخشی از نیازها پاسخ می‌دهند، پاسخ نهایی خواهند بود. برای مثال؛ یک نور او‌ال‌ای‌دی را می‌توان با قیمتی مناسب در مقیاس صنعتی ساخت و مناسب‌ترین راه حل برای روشنایی محوطه‌ها خواهد بود. و به عنوان مکمل این منابع نوری می‌توان از ال‌ای‌دی‌ها استفاده کرد که نور درخشان‌تر و متمرکزتری را تولید می‌کنند که می‌توان از انها برای روشن کردن قسمت‌هایی از محوطه‌ها که نیاز به نور بیشتری دارند استفاده کرد و نور بقیه را به او‌ال‌ای‌دی‌ها سپرد. چنین ترکیب‌هایی به مفهوم جدیدی در نور پردازی منجر می‌شوند، و به این ترتیب آرشیتکت‌ها به گونه جدیدی از صرفه جویی در مصرف انرژی خواهند رسید: جلوگیری از اتلاف انرژی با استفاده از نورپردازی هدفمند و با شدت موضعی.
نظر شما