BÚCSÚ AZ IZZÓLÁMPÁKTÓL Gaál István MTA MFA gaal@mfa.kfki.hu
Az előadás motivációja
Napjainkban is gyakran hosszú az az út, amelyik a meglepően új ötlettől, a működőképes modellen át a piacképes termékig vezet. Erre napjainkban is sok a példa: fúziós nukleáris reaktor, napelem, tüzelőanyag-cella, termoelektromos konverter, félvezető világitó-dióda.
A hosszú érési időnek alapvető oka van: a sikeres technológia rendszerint igen eltérő természetű ismeretek és tapasztalatok összehangolásán alapul, és gyakran új, sokkomponensű anyagfajta mély ismeretét igényli. Az oktatás szempontjából az izzólámpák fejlesztésének kulturtörténeténe egy eléggé jól követhető példa lehet arra, hogy egy gyökeresen új termék kutatásában és fejlesztésében milyen sok-irányú feladattal kell szembesülünk.
Ennek a kulturtörténetnek az a nagy előnye, hogy itt a terméket mindenki ismeri, és működési elv is igen közelesik a mindennapi tapasztalathoz. Ezért lehet talán itt a legkönnyebben érzékelni azt a sokrétű technológia erőfeszítést, és ismeret-anyagot ami által izzólámpa piacéretté vált..
Az izzólámpa működési elve egyszerű. A terméket mindenki kézbe fogja, ismeri. Tudjuk, hogy az elektromosan vezető testet a rajta átfolyó áram felhevíti. Azt is tudjuk, hogyha az átfolyó áram kellően nagy, akkor a test felizzik, fényt bocsát ki, világít.
Talán kevésbé ismert, hogy az árammal izzított platina-szál világítását először Volta mutatta be 1801-ben a Francia Akadémián. Figyelemre méltó, hogy ott volt Napoleon is. A ma használatosakkal összemérhető hatékonyságú és élettartamú izzólámpák azonban csak 1920 körül kerületek tömegesen a piacra.
A száz-éves lappangási időnek két igen eltérő oka volt. 1.) Egyrészt hatékony áramforrásokra és elektromos hálózatokra volt szükség ahhoz, hogy az elektromos világítás elterjedjen, a lámpáknak. piaca legyen. 2.) Másrészt világos volt, hogy az úttörő, levegőn üzemelő modell-lámpák platina spirálját (de la Rue 1809) már csak költség-okokból is más anyaggal kell majd kiváltani.
Az izzólámpa-gyártás anyag-technológiai problémáinak vázlata
Az izzószál története 1.) 1880 és 1910 között karbon-alapú, valamint ozmiumból, tantálból és volfrámból készült vékony egyenes izzószálak tették lehetővé piacképes izzólámpák gyártását. 2.) A tartós megoldást a szobahőmérsékleten duktil, 2800 K-en is alaktartó, és spirál-rugóvá formálható volfrámhuzal adta meg. Ennek technológiája Coolidge (1909-1914) nevéhez fűződik.
A Coolidge technológia empirikus technológia-volt. A paramétereket a széleskörű tapasztalat gyüjtés és a gondos megfigyelés alapján állították be. A hatékonynak mutatkozó K, Al, Si adalékok kötésállapota ismeretlen volt. Csak 1960 és 1995 között derült fény arra, hogy a Coolidge technológia lényeges mikroszerkezeti történései az 500 nm alatti skálán folynak le. A hatékony adalék a 80 nm-nél kisebb átmérőjű oxigén-mentes kálium-zárvány.
Az is kiderült, hogy a volfrám szobahőmérsékleti duktilitásának hátterében a 400 és 200 nm közötti szemcseméret áll. Az ennél finomabb szemcseméretű volfrám már igen hajlamos a szemcsehatárok menti törésre. Itt érdemes megemlíteni, hogy ezen a méretskálán a mechanikai tulajdonságok reprodukálható beállítása és mennyiségi leírása napjaink egyik legizgatóbb anyagtudományi kérdése. A kutatás mind fémes, mind keramikus anyagokon igen intenziv.
A Coolidge technológiával készült volfrám legfontosabb technológiai sajátsága az, hogy nem gyártható jó minőségű termék a szál szén és oxigén tartalmának nyomelemszinten történő kontrollja nélkül. Ez azt kivánja meg, hogy mind a technológiában, mind a lámpa-üzeme során a gázatmoszféra (vagy a vákuum) oxigén és széntartalmú molekuláinak parciális nyomását a nagy-vákuumnak megfelelő nyomások szintjén kontrolláljuk.
A technológiai ismeretek és tapasztalatok nem mindig hasznosultak az izzólámpa-gyártásban, de néha egészen új területeken nyitottak utat meglepően új termékeknek. Erre két példát hozok.
1.) Kézenfekvőnek tünt, hogy az izzószál magashőmérsékleti szilárdságát egy kemény, magasolvadáspontú anyag finom zárványaival emeljék meg. Igy született meg a diszperz ThO 2 fázissal adalékolt volfrám. A ThO 2 fázis azonban a volfrám 2800 K-es üzemi hőmérsékletén elbomlik és a szálból gázmolekulák és atomok formájában távozik. Nem biztosithat tehát meleg-szilárságot. Langmuir felismerte azoban, hogy alkalmas hőkezeléssel fél monorétegnyi Th adszorbeálódik a tóriumos volfrám felületén, és ez tartósab leszállitja az elektronok kilépési munkáját 2300 K alatti hőmérésékleteken. Igy született meg a mindmáig széles körben használt tóriumos volfrámelektród.
2.). Nernst izzólámpák sugárzó testjének céljára magasolvadáspontú ion-vezető oxidokat állított elő. A szabadalmait kimagasló áron adta el, de de az eredeti célra soha nem használták azokat. Mind a mai napig azonban ezeknek az oxidoknak a a különböző variánsai adják azokat a kristályos elektrolitokat, amelyek galvánelemekben oxigén szondaként használhatóak, más galvánelemekben pedig termokémiai egyensúlyi állandók mérésére szolgálnak. Ezen oxidok perspektivája is jelentős: kandidátusai a magashőmérsékletű tüzelőanyagcellák membránjainak.
Az izzólámpa gyártás fejlett vákuum technikát és ultratiszta semleges gáz töltést igényelt. Ez két új iparágnak adott lökést: a vákuumtechnikai iparnak és a getter-anyagok gyártására szakosodott iparnak. (A getter, mint tudjuk, a szén, oxigén, foszfor és kén tartalmú gázmolekulák tartós megkötésére alkalmas szilárdtest.)
Az izzólámpák fejlesztési igényei utat nyitottak új tudományterületek művelésének is
Hőátadás numerikus tervezése szimultán hővezetés, konvekciós hőtátadás és hősugárzás esetén Gázok monoréteges (és töredék-monoréteges) adszorbciója és deszorpciója kristályok szabad felületén (Langmuir Nobel díja) Kémiai transzport reakciók nagy-vákuumban eltérő hőmérsékletű szilárdtestek között. Oxidok disszociációja fém-mátrixban és oxid-mátrixban
A kulturtörténet után térjünk rá a jelenre
Úgy tűnik, hogy a közvéleményt váratlanul érte egy olyan döntés, amelyet a fényforrásipar már két évtizede elemez. Napjainkban vált aktuálissá, hogy energetikai megfontolások alapján kivonják a forgalomból a 75 W feletti izzólámpákat..
Először is idézzük fel, hogy hogyan minősítjűk egy világítástechnikai termék energetikai hatásfokát
A világítás technikában az energetikai hasznositás mértéke: a lumen/watt Egy fényforrás által a teljes spektrális tartományban kibocsátott elektromágneses sugárzás energia-fluxusa. = J ( T ) = j ( T, λ ) dλλ 0 Ezt a mennyiséget a fényforrást körülvevő elég távoli referencia gömbfelületre beeső energia-fluxussűrűség felületi integrálja adja. (j(t,λ) tehát a Pointing vektor normálkomponensének spektrális sűrűsége.
Természetesen ennek az energia-fluxusnak egy jelentős részét szemünk nem érzékeli. Részletekbe menő vizsgálatok után megegyeztek abban, hogy a szem fényinger-érzetét energetikai szempontból egy szabványosított, (dimmenziótlan) spektrális érzékenységi faktorral, V e (λ)-val, veszik figyelembe. Igy a fényforrás teljes fényárama φ( T) = K m Ve( λ) j( T, λ) 0 dλ Itt K m egy átváltási faktor (685 lumen/watt). A K m faktor az energetikai elemzés mérőszámait kapcsolja össze a hagyományos (etalonos) fotometria mérőszámaival.
Nézzük meg ezek után, hogyan alakult a különböző világítástechnikai fényforrások energetikai hatásfoka a XX. században
Világítástechnikai fényforrásaink energetikai hatásfoka
Fluorescens lámpák Fémhalid lámpák Halogén izzólámpa
Láttuk, hogy az izzólámpáknak két osztálya van. Vannak a semleges gázzal töltött izzólámpák, és vannak a halogén-lámpák. Az utóbbiakban, a volfrám szublimációját a semleges gáztérhez adott halogén-adalékok transzport reakciói szorítják vissza. Láttuk azt is, hogy a fluoreszcens lámpák energetikai hatásfoka kiemelkedő. Piac nyerésük oka Hosszú fejlesztés eredményeként élettartamuk árukhoz viszonyítva elegendően hosszú lett. Továbbá fényünk a komfort-érzet tekintetében egyre jobban megközelíti az izzólámpákét..
Mit tudnak és mit nem tudnak a fluoreszcens lámpák?
A legujabb kompakt fluoreszcens lámpák A legujabb kompakt fluoreszcens lámpák méretei közel azonosak az azonos lumenű szokásos izzólámpák méreteivel
A fényerősség függ a környezet hőmérsékletétől A villák bejárati megvilágitására a fluoreszcens lámpa kevéssé alkalmas RELATIV FÉNYERŐ YERŐSSÉG HŐMÉRSÉKLET ( C) Piros nyil: Higany adalék Fekete nyil Amalgán adalék Rosszabb hűtésű burába amalgán adalékos lámpa való!! Az USHIO Co. Erre a célra 2000 óra élettartamú izzólámpákat ajánl *
Azonos lumen mellett lényegesen kisebb watt A kompakt fluoreszcens lámpa szinhűsége és a kibocsátott fény adta komfort-érzés megközeliti a klasszikus izzólámpákét Vigyázat!! A higany tartalom miatt különleges kezelést igénylő lom
A kompakt fluorescens lámpák élettertama Nagy cégek 2009 őszi katalógusai hosszú átlagos élettartamot garantálnak. Kétféle élettartamot adnak meg: Minimum 3 órás üzem és 1 óra pihenési idő mellett 10 000 óra (háztartási használat) Átlagosan 12 órás folyamatos üzem és 1 óra pihenési idő mellett 12 000 óra
Mi rejlik a katalógus adatok mögött? A katalógus adatok mögött az az ismeret húzódik meg, hogy a fluoreszcens lámpák elektródját a bekapcsolás errodálja. A lámpa élettartamát akár 2000 órára is lecsökkentheti a rövid (10 perces) üzemre történő sokszori bekapcsolás. Ne használjunk lépcsőházban, mellékhelységben fluoreszcent lámpát. Erre számít az Ushio Co akkor, amikor 20 000 órás 53 wattos 24 V-os izzólámpát kínál erre a célra.
Pontszerű világítástechnikai fényforrások
A pontszerű fényforrások tipikus példái a vetítő és fényszóró lámpák. A kilencvenes években a halogén adalékos autófényszóró izzólámpákat a fémhalid kisülő lámpák kezdték el kiszorítani a piacról. A fémhalid lámpák nagynyomású A fémhalid lámpák nagynyomású nemesgáz töltésű kisülőlámpák. Elektródjuk tórium adalékos volfrám. A gáztér halogén adaléka kémiai transzportreakciókkal csökkenti az elektródák szublimációját.
A gépjármű-lámpa piac változása 2000 körül 1987 1992 1996 2000 1991 1995 1999 2003 Eureka 3,8 millió$ 152 mérnökév Philips OSRAM Audi BMW Magyar Nemzeti Kutatási és Fejlesztési Program
FOTONIKAI FÉNYFORRÁSOK
A fotonika fényforrásai a kibocsátott fénnyel a fizika és a kémia numerikus törvényei által leirható hatásokat okoznak:hevítenek, kémiai reakciókat keltenek, a kémiai analitikában hasznosítható abszorpciós és emissziós folyamatokat váltanak ki. A fotonikai fény-források hatékonyságát a fizika és a kémia törvényeivel exakt módon leírható szenzorokkal mérjük. (Az emberi szem sajátságaira nem kell tekintettel lennünk!!)
A deutérium lámpa: kontinuum sugárzó UV fényforrás
A deutérium lámpa a szerveskémiai szerkezet-elemzés műszere Műszert nagy intenzitás-stabilitása jellemzi: Az intenzitásfluktuáció relatív értéke 10-5 Oxid-katód beégetése minsőség meghatározó
Pontszerű fényforrás Pontos katód-anód pozició Megbizható, helypontos leképzése a pontszerű fényforrásnak
A LED ára kis töredéke a lámpa árának. A rezonáns üreg gyártását és a LED jó hűtését kell az árban megfizetni.
A fotonikai piac hónapról hónapra új termékekkel áll elő. A klasszikus termékek műszaki jellemzőit is gyakran duplázzák meg a javított változatok. A fotonika (elsősorban az UV fotonika) nagy lehetőségeket ad a klasszikus fényforrás technológiák művelőinek a termék-váltásra (Érdemes megnézni USHIO Co katalógusait az interneten. A családi cég 1920-ban izzólámpa gyártással indult, ma világszerte leányvállalatai vannak. Bajorországi leányvállalata most indul az UV piacon.)