GLÖDLAMPANS DÖD

Framför våra ögon håller en riktigt gammal trotjänare på att gå i graven – glödlampan. Denna snart 130 år gamla uppfinning har förändrat vår tillvaro mer än vi kanske inser. Men nu tar nästa generations belysning över, med lysdiodstekniken som den starkast lysande stjärnan. Billigare, mindre, hållbarare och effektivare ljuskällor kan spara enorma mängder energi och pengar. Och dessutom förändra vår syn på belysning.

Någon har räknat ut att om man ersatte all världens glödlampor med de lysdioder som idag finns på marknaden, så skulle man kunna spara över 100 miljarder dollar om året i elkostnader och lägga ner över 500 medelstora olje- eller koleldade kraftverk och därmed reducera koldioxidutsläppen med 500 miljoner ton om året. Det är ett tankeexperiment som naturligtvis inte håller i verkligheten, eftersom allt fler människor behöver elektricitet och vårt behov av ljus ständigt ökar.

En vanlig glödlampa sänder ut 5 procent av sin energi i form av ljus, resten, 95 procent, i form av värme. Ofta oönskad värme som kan betraktas som en ren energiförlust. Ska vi klara av framtidens ekonomiska och klimatologiska utmaningar, måste vi bli mer effektiva när det gäller energi­användning. Om vi vill ha ljus, borde vi försöka hitta en ljuskälla som avger så nära 100 procent som möjligt av sin energi i form av ljus. LED eller ljusdioder är en framkomlig väg mot det målet. Dagens lysdioder avger ungefär 50 procent av sin energi i form av ljus. Inom en nära framtid kommer lysdioderna troligen att bli ännu effektivare och dessutom billigare.

Stad i ljus Utebelysningen i världens städer ökar och energislösandet är enormt. Bara en bråkdel av den tillförda energin blir till nyttigt ljus – det mesta blir till värme, och av ljuset som blir över försvinner en hel del ut i atmosfären, utan någon som helst nytta. Bild: IBL

Stad i ljus Utebelysningen i världens städer ökar och energislösandet är enormt. Bara en bråkdel av den tillförda energin blir till nyttigt ljus – det mesta blir till värme, och av ljuset som blir över försvinner en hel del ut i atmosfären, utan någon som helst nytta. Bild: IBL

I slutet av 1800-talet förändrades hantverkarsamhället genom den industriella revolutionen. Industrin skapade nya produkter som kunde massproduceras. En av dessa produkter var den elektriska glödlampan. Glödlampan blev sedan själv en förutsättning för att industrialismen kunde fortleva och utvecklas. Med upplysta arbetsplatser och fabriker fick vi makt över tiden och kunde upphäva dygnsväxlingarna mellan ljus och mörker. I hantverkarsamhället kunde bara vissa sysslor göras under den mörka delen av dygnet och då ofta i ett svagt sken från ett talgljus eller en fotogenlampa. I det postindustriella samhället står vi inför nya utmaningar som måste lösas i ett nytt ljus. LED-ljustekniken kan vara en viktig pusselbit i detta nya paradigmskifte. Men låt oss först göra en historisk tillbakablick på det elektriska ljuset.

Elektrisk båglampa

Båglampan uppfanns år 1804 av engelsmannen sir Humphry Davy. Ljusskenet framkallas av en ljusbåge mellan två åtskilda kolstavar. När man tänder en båglampa låter man först kolelektroderna beröra varandra och skickar igenom en elektrisk ström. Sedan­ drar man isär dem till ett gap på några milli­meter och får en ljusbåge i luft­gapet när strömmen flyter över från den ena elektroden till den andra.

Högtrycksnatriumlampor En av de energimässigt mest effektiva­ belysningsteknikerna är högtrycksnatriumlampor. Dessa ger i dagsläget mest ljus för energin. Bild: SPL

Högtrycksnatriumlampor En av de energimässigt mest effektiva­ belysningsteknikerna är högtrycksnatriumlampor. Dessa ger i dagsläget mest ljus för energin. Bild: SPL

Båglampan ger ett mycket starkt vitt ljus som påminner om solljus. Det lämpade sig väl som utomhusbelysning på till exempel brädgårdar eller som inomhusbelysning i stora industrisalar. De två första elektriska lamporna i Sverige var bågljuslampor. De installerades år 1876 vid Näs sågverk i Dalarna och vid Marma sågverk i Hälsingland.

Avståndet mellan kolelektroderna i bågljuslampan måste hela tiden justeras för att ljuslågan skulle bestå och efter ungefär hundra timmar var elektroderna förbrukade och måste bytas. Båglampan har idag helt spelat ut sin roll, men uppfinningen vidareutvecklades till både svetsagreggat och glödlampa.

Glödlampan

Uppfinningen av glödlampan brukar tillskrivas Thomas Alva Edison. Det var i december 1879 som han kunde presentera sin första funktionella glödlampa med en glödtråd av karboniserad japansk bambu. Uppfinningen vidareutvecklades sedan snabbt och fick ett enormt genomslag under 1800-talets två sista decennier.

En glödlampa består av en glödtråd innesluten i en glaskolv. Glödtråden består oftast av metallen volfram, som tål hög temperatur. Ju högre temperaturen på glödtråden är, desto mer av den utstrålade effekten ligger inom våglängderna för synligt ljus. Glaskolven kring glödtråden måste antingen vara lufttom eller innehålla någon ädelgas som inte reagerar med metallen i den varma glödtråden. Om glaskolven innehöll syre, skulle glödtråden snabbt fatta eld och brinna upp.

Lysrör

På 1940-talet kom lysröret till Sverige. Det är egentligen en slags båglampa, det vill säga ljuset kommer från en ljusbåge mellan två elektroder som inte står i kontakt med varandra. Lysröret består av ett långt glasrör som är fyllt med argongas och lite kvicksilver­ånga. Glasrörets insida har ett skikt av exempelvis zinksilikat eller något halogenfosfat. I vardera änden av lysröret sitter elektroder. När strömmen flyter mellan elektroderna genom argongasen och kvicksilverångan uppkommer en ultraviolett strålning som gör skiktet på glasets insida lysande genom fluorescens. Lysröret drar ungefär­ en femtedel så mycket elektricitet som en vanlig glödlampa. Nackdelen är att de innehåller kvicksilver och att de ger ett ljus med ett bandspektrum som kan ge problem med färgåtergivning i det upplysta rummet.

Lågenergilampa Dagens lågenergilampor ger ifrån sig ungefär fem gånger så mycket ljus per watt som de gamla glödlamporna. Bild: SPL

Lågenergilampa Dagens lågenergilampor ger ifrån sig ungefär fem gånger så mycket ljus per watt som de gamla glödlamporna. Bild: SPL

Lågenergilampor

Man kan tillverka lampor med antingen glödlampsteknik eller lysrörsteknik vilka inte blir lika varma som vanliga glödlampor och alltså avger mer ljus än värme. De kallas lågenergilampor. Exempel på sådana är lågvoltshalogenlampor, kvicksilverlampor, metall­halogenlampor och högtrycksnatriumlampor. Lågenergilampor är dyrare än vanliga glödlampor, och en annan nackdel är att många av dem innehåller miljöfarliga ämnen som kvicksilver.

Nya möjligheter Många har upptäckt de nya möjligheter som lysdioder ger. Här är ett ljusspel med lysdioder på varuhuset PUB i Stockholm. Bild: Skylight

Nya möjligheter Många har upptäckt de nya möjligheter som lysdioder ger. Här är ett ljusspel med lysdioder på varuhuset PUB i Stockholm. Bild: Skylight

Lysdioder

Man kan säga att en vanlig glödlampa ger ljus som en biprodukt till alstrande av värme. Lysdioden bygger på att skapa ljus direkt från elektricitet och ger mycket lite värme som biprodukt. En lysdiod fungerar ungefär som en omvänd solcell. Solcellen skapar elektricitet ur solljus när fotoner (ljuspartiklar) absorberas i ett halvledarskikt och lyfter elektroner från ett inre elektronskal till ett yttre i atomen. Från detta yttre elektronskal kan sedan elektronen frigöra sig och strömma i en riktning genom halvledaren (dioden). Det uppstår en likriktad elektrisk ström. (I AoV 9-2007 finns

en mer ingående beskrivning av hur en solcell fungerar). I en lysdiod gör man tvärtom. Man skickar in en ganska svag elektrisk ström (elektroner) i halvledarskiktet. De inströmmande elektronerna hoppar in i ett inre elektronskal och då frigörs en foton och ljus strålar ut (emitteras) ur halvledaren. Ett annat namn för lysdiod är LED (light emitting diode).

En lysdiod är en mycket liten punktformig ljuskälla med bara några milli­meter i diameter. Den utstrålar ett monokromatiskt ljus, det vill säga ett ljus med bara en våglängd som motsvarar en viss färg. Färgen beror på halvledarmaterialets

sammansättning. Exempel på halvledarmaterial är kombinationen aluminium, gallium och arsenid, som sänder ut rött ljus. Kombinationen indium, gallium och nitrit sänder ut grönt eller blått ljus. Den lilla dioden byggs in i ett plasthölje med högt brytningsindex som sprider ljuset. Ofta bygger man in flera lysdioder i en modul på ett kretskort, där ljuset kan styras på olika sätt med elektronik.

Provkarta på lysdioder De första lysdioder som utvecklades var röda, sedan lyckades forskare konstruera gröna, orange och gula. När den blå dioden utvecklades i mitten av 1990-talet blev det möjligt att få vitt ljus från lysdioder. Därmed inleddes den revolution som vi nu befinner oss i. Bild: SPL

Provkarta på lysdioder De första lysdioder som utvecklades var röda, sedan lyckades forskare konstruera gröna, orange och gula. När den blå dioden utvecklades i mitten av 1990-talet blev det möjligt att få vitt ljus från lysdioder. Därmed inleddes den revolution som vi nu befinner oss i. Bild: SPL

Blått ljus revolutionerade

Den första lysdioden som introducerades på marknaden 1962 bestod av en halvledare av gallium, arsenik och fosfor och gav ett rött ljus. Under 1970-talet utvecklades lysdioder med grönt, orange och gult ljus. Lysdioder användes i början mest i displayer och som indikeringsljus, till exempel på bilars instrumentbrädor. Det vill säga lysdioder användes som ljuskällor som man tittar på direkt med ögat. För att kunna använda dem som belysning krävs dels kraftigare ljus, dels ett vitt ljus. En lysdiod sänder ut ljus av bara en viss färg (våglängd). Eftersom vitt ljus är en blandning av alla färger, kan det inte skapas direkt i en lysdiod. Man måste därför använda sig av olika konstgrepp. Nyckeln till det vita ljuset finns i den blå ljusdioden, som utvecklades i mitten av 1990-talet. Man kan säga att den blå lysdioden var början på en revolution inom LED-tekniken.

Ett sätt att skapa vitt ljus är att bygga samman röda, gröna och blå lysdioder så tätt att ögat uppfattar det som en additiv blandning av de tre färgerna, det vill säga vitt. Ett annat sätt är att låta det blå ljuset från halvledaren passera ett skikt av till exempel fosforoxid som ger gult ljus genom fluorescens när det belyses av det blå ljuset. Det kvarvarande blåa ljus som inte absorberas av fosforoxidskiktet blandas med det gula till ett vitt ljus. Genom att använda olika tjocka fosforoxidskikt kan man tillverka lysdioder med olika vita färgtemperaturer.

Belysning i nytt ljus Med lysdioder som ljuskällor förändras möjligheterna till hur belysning ska utformas. Istället för stora och centrala ljuspunkter, som taklampor, kanske framtiden består i ett stort antal små ljuskällor, där dina tofflor kanske är en ljuskälla. Bild: SPL

Belysning i nytt ljus Med lysdioder som ljuskällor förändras möjligheterna till hur belysning ska utformas. Istället för stora och centrala ljuspunkter, som taklampor, kanske framtiden består i ett stort antal små ljuskällor, där dina tofflor kanske är en ljuskälla. Bild: SPL

Allt effektivare, allt billigare

LED-tekniken utvecklas och lysdioderna blir allt effektivare. Idag har vita lysdioder 4-5 gånger större ljusflöde än vanliga glödlampor och ungefär samma ljusflöde som lysrör. Om några år kan lysdioderna ha uppnått ett ljusflöde som är dubbelt så stort som lysrören. Ljusflöde räknas i lumen per watt (lm/W). En glödlampa har ett ljusflöde på 15-20 lm/W, lysrör cirka 80 lm/W. Man tror att den teoretiska gränsen för vad man kan uppnå med lysdioder ligger på drygt 200 lm/W.

Lysdioder blir inte bara effektivare. De blir också allt billigare. Om 5–10 år kanske de helt har tagit över när det gäller belysning och glödlampan går mot en säker död. Lysdioder har många fördelar. De är stryktåliga och har lång livstid, kanske 50–100 gånger längre än en glödlampa och de innehåller inga miljögifter. Men en av de allra största fördelarna med lysdioder är att de är så energisnåla. Framtidens lysdioder kanske bara drar en tiondel så mycket el som dagens glödlampor.

När vi kommer i åtnjutande av ny teknik har vi en tendens att använda den i gamla applikationer. De första bilarna hade förarplatsen på en kuskbock, och vi kör fortfarande bil med ratt och pedaler, fast vi lika gärna kunde använda en joystick för att styra, gasa och bromsa. De första glödlamporna ersatte den levande lågan i armaturer som hängde i taket mitt i rummet. Sedan insåg man möjligheterna till anpassad arbetsplatsbelysning, sänglampor och spotlights.

Lysdioder ger också nya möjligheter. Man kan till exempel bygga in LED-ljus i trappor och ledstänger eller­ i vägar. Med digital teknik kan man anpassa ljuset individuellt utifrån vem som vistas i rummet och vilka specifika ljusbehov den personen har. Möjligheterna begränsas bara av fantasin.

Ny teknik, gamla tankar I den här lampan har fotogenlågan ersatts av en glödlampa. Så går det ofta till när ny teknik kommer – den utnyttjas precis som den gamla, utan att dess egna möjligheter uppmärksammas. Bild: Skylight

Ny teknik, gamla tankar I den här lampan har fotogenlågan ersatts av en glödlampa. Så går det ofta till när ny teknik kommer – den utnyttjas precis som den gamla, utan att dess egna möjligheter uppmärksammas. Bild: Skylight

Kapplöpning

På många håll i världen forskas det intensivt för att skapa effektivare och billigare lysdioder. Men i dagsläget är det svårt att få en överblick av läget eftersom många forskare och företag försöker hålla sina framsteg hemliga tills de är färdiga att utveckla i större skala. Man kämpar för att överleva och hoppas att bli världsledande inom sitt gebit. Olika saker som provas är till exempel nanoteknik och organiska halvledare i lysdioder (OLED).

Politiskt görs också en hel del för att främja utvecklingen mot billigare och effektivare belysning. Från och med januari 2009 förbjuds försäljningen av vanliga traditionella glödlampor i Irland. ”Glödlampan bygger på en teknik som har utvecklats under ångmaskinens tidsålder”, säger miljöministern John Gormley. Han tror att den nya lagen kommer att innebära en besparing av 185 miljoner euro i elkostnader och minska koldioxidutsläppen med

700 000 ton per år. Frankrike överväger ett liknande förbud mot glödlampor från 2010, men inget är ännu beslutat.

Stockholm först Stockholm är den första staden i världen som helt har övergått till lysdioder i alla trafikljus för bilar, fotgängare och kollektivtrafik. Bild: Skylight

Stockholm först Stockholm är den första staden i världen som helt har övergått till lysdioder i alla trafikljus för bilar, fotgängare och kollektivtrafik. Bild: Skylight

Det finns en del framsynta småstäder och byar, där man helt har ersatt den offentliga belysningen med lysdioder. Ann Arbor i Michigan i USA har försett alla tusen gatlyktor med lysdioder och räknar med att investeringen ska betala sig på fyra år. Koldioxidutsläppen beräknas minska med samma mängd som 400 bilar släpper ut på ett år. Den lilla staden Torraca i sydvästra Italien var först i världen med att använda LED i all gatubelysning. Stockholm är den första staden i världen med lysdioder i alla trafikljus för bilar, fotgängare och kollektivtrafik.

Levande ljus används idag i stort sett bara av estetiska och känslomässiga skäl och vid högtidliga tillfällen. När inom en snar framtid lysdioderna blir billigare och effektivare, kommer­ då glödlamporna att gå samma öde till mötes? Blir glödlampor bara en nostalgisk krydda i tillvaron, som kulörta lyktor kring dansbanan i sommarnatten eller som kulturhistoriska reklamskyltar? Risken, eller möjligheten om man så vill, är stor. Om inte alltför många år kanske vi ser på glödlampor­ som vi nu gör på trevliga gamla fotogenlampor­.

Material från
Allt om Vetenskap nr 3 2008

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter