Miltä kuulostaisi ikkunaan kiinnitettävä kalvo, joka hehkuisi talvellakin kesäpäivän valoa.

Tekniikka-palsta

Teksti: Kalevi Rantanen

Miltä kuulostaisi ikkunaan kiinnitettävä kalvo, joka hehkuisi talvellakin kesäpäivän valoa.

Julkaistu Tiede-lehdessä 11/2011

Lamput ovat piilossa, mutta valo kirkastuu leppeästi kuin aurinko noustessaan. Surkeimpaan kaamosaamuun saa keväisen Välimeren valon, jos haluaa.

Tämä on vielä tieteisfantasia, mutta muuttuu todeksi noin kymmenessä vuodessa, kertovat valoteknikot. Heillä on pohjaa puheilleen. Jos muut keinot loppuvat, otetaan apuun lohen dna.

Käynnissä on monta valokumousta.

Juuri kun olemme vaihtaneet hehkulamput energiansäästölamppuihin, kauppaan ovat ilmestyneet ledilamput.

Sitten tulevat orgaaniset ledit. Kertomus lampuista on nykyään tarinaa erilaisista ledeistä.

Paljon valoa, vähän lämpöä

Ledi on puolijohdekomponentti, valo- tai hohtodiodi. Kun sähkövirta kulkee sopivasti seostettujen puolijohteiden rajapinnan yli, energia muuttuu valon hiukkasiksi, fotoneiksi. Toisella puolella on ylimääräisiä elektroneja ja toisella aukkoja, joista puuttuu elektroneja. Fotoneja syntyy elektronin ja aukon yhdistyessä. Osa energiasta muuttuu valoksi, osa ympäröivien atomien värähtelyksi eli lämmöksi.

Lämpöä muodostuu ledissä paljon vähemmän kuin hehkulangassa. Siksi ledien valotehokkuus eli valovirran suhde sähkötehoon on korkea.

Lampuiksi sopivat ledit eivät syntyneet hetkessä, vaan halutunväristä valoa säteilevien puolijohteiden kehittäminen vaati vuosikymmenien ponnistukset. Tärkeän osan työstä teki japanilainen Shuji Nakamura, joka viisi vuotta sitten sai Millennium-palkinnon. Hän kehitti ledin, joka säteilee vaikeimmin tuotettavaa valoa: sinistä. Sitä ja muita yhdistelemällä saadaan myös valkoista valoa. (Ks. Palkitut ledit syntyivät sisulla ja tuurilla, Tiede 6/2006 tai tiede.fi/arkisto).

Valaisimien vuoro pienentyä

Ledejä voi kuvailla kiinteän olomuodon valaistustekniikaksi, sillä niissä ei tarvita tyhjöä eikä kaasutilaa. Kiinteys tuo merkittäviä etuja: mitat saadaan pieniksi, ja lampuista pystytään tekemään pitkäikäisiä ja luotettavia.

Ledi tekee valaistukselle samaa kuin puolijohdekomponentit ovat aiemmin tehneet radiolle ja televisiolle. Isot radioputket korvattiin transistoreilla kauan sitten. Äskettäin television isot kuvaputket ovat vaihtuneet ohuisiin nestekide-, plasma- ja osittain myös ledinäyttöihin. Nyt on tullut valaisimien vuoro kutistua.

Samalla tulee älykäs valaistus, sillä elektroniikalla voidaan säätää ledivalon ominaisuuksia.

Tavoite 40 % lisäsäästöä

Aluksi älykkyydellä vähennetään energiankulutusta.

Nykyään ledivaloja asennetaan usein jälkeenpäin, jolloin ledilamppu ruuvataan vanhan hehkun pesään. Näihin ensimmäisiin lediratkaisuihin verrattuna eurooppalaisessa Enlight-hankkeessa tavoitellaan 40 prosentin vähennystä sähkönkulutukseen. Mukana on 30 organisaatiota sekä tutkimusmaailmasta että teollisuudesta. Yksi on Teknologian tutkimuskeskus VTT Suomesta.

– Vähennys saadaan kahdella tavalla, kertoo johtava tutkija Janne Aikio VTT:stä. – Ensimmäinen on led-lamppujen valotehokkuuden parantaminen. Toinen on älykkyyden lisääminen. Tästä ovat tunnettuja esimerkkejä liiketunnistimet ja hämäräkytkimet.

Älykkäitä valaistusjärjestelmiä on jo paljon, mutta useat ovat kotioloissa hankalia. Yhtenä tavoitteena on kehittää tekniikkaa, jota kuluttaja on valmis käyttämään.

Onneksi kotien valoautomaatio edistyy nopeasti. Yksinkertaisissa ratkaisuissa valot sammuvat automaattisesti, kun asukkaat ovat poissa. Sitten tulee valotason hienosäätöä. Keinovaloa ohjataan luonnonvalon mukaan. Esimerkiksi sälekaihtimet sulkeutuvat ja avautuvat automaattisesti.

Päivän värit huoneeseen

Kun energiatehokkuus paranee, voi miettiä muutakin. Painopiste siirtyy valon laatuun.

Viime vuosisadalla pidettiin juhlat, kun kattoon saatiin jokin lamppu. Eräs juhlija kirjoitti Savon Sanomissa 1940-luvulla: "Sähköt ne pallaa, loestaa ja paestaa, sev valossa verottii mannalta maestaa."

Nykyajan valoteknikot tuskin saavat innostumaan veronmaksusta, mutta hyvää valoa he pystyvät tekemään.

Ihminen on tottunut auringonvaloon, joka vaihtelee vuorokaudenajan ja ympäristön mukaan. Aamu- ja ilta-auringossa on oranssin ja punaisen vivahteita. Keskellä päivää valo on kellertävää. Pilvet saavat valon sinertämään, metsän lehvistö vihertämään.

Sekä hehku- että energiansäästölamppujen valo poikkeaa luonnollisesta. Ledilampuista saadaan puolestaan tarkoin halutun väristä valoa. Periaate on sama kuin väritelevisiossa. Eriväristen ledien valovoimaa säätämällä synnytetään halutut värisävyt. Voimme saada meille luontaista valoa meille luontaiseen aikaan tai, jos haluamme, luontaisesta poikkeavaa valoa.

Valaisevia kalvoja ikkunoihin

Entä mitä keksittäisiin ledien jälkeen? Voidaan kehittää orgaanisia ledejä eli oledeja.

Tyypillinen ledi on epäorgaaninen, "kova" ja pistemäinen valonlähde. Materiaalit ovat epäorgaanisia aineita, kuten alumiinia, arseenia, typpeä, galliumia tai fostoria. Valmistus on kallista. Ledi valmistetaan usein höyryfaasipinnoituksella, jossa kaasumaiset aineet hajovat tai reagoivat niin, että haluttuja aineita kerrostuu kiinteälle alustalle.

Orgaaninen ledi tehdään polymeereistä, arkikielellä muoveista. Kehittäjät uskovat, että tulevaisuudessa oledeja pystytään valmistamaan halvalla. Niitä painetaan kuin sanomalehtiä.

Lamput voidaan silloin korvata valaisevilla kalvoilla, jotka kiinnitetään kattoon, seiniin, ikkunoihin tai huonekaluihin. Valot hoikistuvat lopullisesti. Koti muuttuu tavalla, jota voimme vain osittain ennakoida. Oikeaa valoa tulee oikea määrä sinne, mihin käyttäjä katsoo. Valopinta voi hälyttää tulipalosta tai muusta vaarasta. Valolla voi muuttaa pinnan väriä ilman maalausta.

Philips Researchin tutkijat arvioivat, että valopintoja saadaan 5–8 vuoden kuluttua. Kehitystyötä tarvitaan. Oledeista on tehtävä kestävämpiä. Käyttöikää on pidennettävä.

Dna:sta kirkkautta

Yksi ratkaisu oledien ongelmiin on dna, uskoo Cincinnatin yliopiston nanolaboratorion johtaja, professori Andrew Steckl.

Dna on paitsi perimän tallentaja myös kemiallisesti ja optisesti kiinnostava molekyyli. Onkin syntynyt uusi tutkimushaara, dna-optiikka.

Pinoamalla olediin ohuita dna-kerroksia Steckl ja kollegat ovat kirkastaneet vihreää ja sinistä valoa kertaluokalla. Valon fotonit syntyvät elektronien siirtyessä energiavälin yli energiatasolta toiselle, ja koska dna-molekyylissä väli on leveä, valoa syntyy paljon. Alustavien laboratoriotulosten mukaan dna-lisä saattaa myös pidentää oledin käyttöikää.

Cincinnatin tutkijat ovat hankkineet dna:ta lohien mäti- ja maitipusseista. Kalanperkuujätteille voi siis löytyä hyötykäyttöä valotapetin ainesosina.

Palstan pitäjä Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.