בחזרה לעבר, אך ביעילות רבה יותר

נורות הליבון המסורתיות מייצרות אור לבן בעל מאפיינים המותאמים היטב לעין האנושית. עם זאת, לנורות האלה יש פגם גדול שהופך את השימוש בהן לא כדאי ובמקומות רבים גם בלתי חוקי: הן מאוד לא יעילות מבחינה אנרגטית. מרין סוליאצ'יץ (Soljačić) ועמיתיו למעבדה מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) פרסמו בכתב העת Nature Nanotechnology ניסוי שבו בנו דגם של נורת ליבון שיעילותה האנרגטית יכולה להיות זהה לזו של LED. האור הנפלט ממנה, לעומת זאת, ניחן באותם מאפיינים חיוביים של הנורות המסורתיות.

עקרון הפעולה של נורת הליבון המסורתית הוא פשוט: כשמעבירים זרם דרך מתכת היא מתחממת, ואם הטמפרטורה גבוהה מספיק היא מתחילה לזרוח. צבע האור תלוי בטמפרטורה, כך שכדי שהחוט יאיר באור לבן הדומה לאור השמש, כלומר מכיל בצורה כמעט שווה את כל הצבעים הנראים, צריך לחמם אותו עד לכ-3,000 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה כזאת רוב החומרים מותכים, לכן חוט הלהט עשוי מטוּנְגְסְטֶן, מתכת שטמפרטורת ההיתוך שלה גבוהה יחסית. כדי למנוע מחוט הלהט להתחמצן ולהיקרע, חלל הנורה מלא אַרְגוֹן, גז אציל שאינו מתרכב עם חומרים אחרים.

אולם חוט הטונגסטן הלוהט פולט לא רק אור נראה. למעשה רוב האנרגיה נפלטת ממנו בצורה של קרינת חום בתחום התת-אדום. מאחר שעינינו אינן מסוגלות לראות קרינה תת-אדומה, זו אנרגיה אבודה מבחינתנו. על כן מדובר בהתקן תאורה בזבזני שרק כשני אחוז מהאנרגיה שהוא צורך אכן משמשת לתאורה.

לאתגר של ייצור נורת ליבון יעילה הייתה בדיעבד חשיבות היסטורית רבה. בשנת 1901 שכר מכון התקנים הגרמני את מקס פלאנק כדי למצוא דרך לייצר נורה שפולטת בעיקר אור נראה, אך הכלים הפיזיקליים שהיו אז בנמצא לא הספיוק כדי להסביר באילו צבעים זורח חוט לוהט. פלאנק נאלץ לייצר תורה פיזיקלית חדשה לגמרי כדי להתמודד עם הבעיה, והיום אנו מכירים אותה בתור המכניקה הקוונטית. 

תאורת LED מתבססת על התקנים מוליכים למחצה, כלומר עשויים מחומרים בעלי מוליכות נמוכה יחסית. כאשר מצמדים סוגים שונים של מוליכים למחצה ומזרימים דרכם זרם חשמלי, תופעות קוונטיות גורמות לפליטת אור. הבנה הטובה של מעבר האלקטרונים במערכת כזו מאפשרת להנדס אותה לפלוט אור בצבע מסוים, עם פליטת חום נמוכה. לכן היעילות האנרגטית של התקנים כאלה גבוהה יחסית. יש צבעים שקל יותר להנדס עבורם תאורה כזו. פיתוח ה-LED הכחול היה מאתגר במיוחד, ועל ההישג הזה הוענק פרס נובל בשנת 2014.

בנורת LED לבנה, כ-20 אחוז מהאנרגיה שהיא צורכת נפלטת כאור נראה, כך שהיעילות האנרגטית שלה גבוהה פי עשרה מנורת ליבון. אולם בחינה מדוקדקת של ספקטרום הצבעים שהיא פולטת מראה שכמות האור הירוק שהיא פולטת נמוכה מאוד יחסית לקרינת השמש או לאור של נורת ליבון. זה קורה כי נורת LED  לבנה אינה לבנה בעצם – היא נורה כחולה עם תוספת של ציפוי כימי שזורח באור צהוב כאשר פוגע בו אור כחול. הכחול והצהוב מתערבבים יחד כדי ליצור את האור שאנו רואים.

בשל כך תאורת LED נראית לא פעם צהובה מדי או כחולה מדי לעין האנושית, אך אנו מסתפקים בה בזכות החיסכון המשמעותי בחשמל, ובזכות העובדה שנורת LED טיפוסית מאריכה ימים פי 10-5 מנורת ליבון.

בין שתי מראות
כדי לייצר נורת ליבון שיעילותה מתחרה בטכנולוגיית ה-LED מיקם סוליאצ'יץ את חוט הלהט בין שני לוחות שמחזירים אליו את קרינת החום, אך מאפשרים לאור הנראה להיפלט החוצה. כך מגיע חוט הלהט לטמפרטורה הנכונה בעזרת זרם חלש יותר והנורה הופכת הרבה יותר יעילה: להלכה היא יכולה להגיע ליעילות של 40 אחוז – כפליים מנורת LED.

הרעיון עצמו אינו חדש, אך היכולת הטכנולוגית ליצירת מראה כזאת, שתחזיר רק קרינת חום, לא הייתה קיימת בעבר. כדי לייצר את המראות מצפים לוחית זכוכית בשכבות דקות מאוד של חומרים שונים. עובי כל שכבה הוא כמה עשרות ננומטרים (מיליארדיות המטר), ובעזרת חישובים מפורטים של תכונות הבליעה וההעברה של שכבות החומרים אפשר לתכנן בדיוק רב אילו גלים יחזרו אל חוט הלהט ואילו מהם יעברו החוצה.

למרות יתרונותיה הרבים, כדי שנורת סוליאצ'יץ החדשנית תגיע לייצור מסחרי ותאיר את בתינו באור לבן ויפה, נצטרך למצוא דרך להתגבר על המחיר הגבוה של רכיביה. לעת עתה כל מראה מתוחכמת מהסוג המשמש בנורות האלה עולה אלפי דולרים. אולם שוק הנורות העולמי הוא כוח כלכלי עצום, וצפוי להגיע בשנת 2020 להיקפי מכירות של 189 מיליארד דולר. זה כמובן מספק תמריץ כלכלי רב להתגבר על המכשול ולהוזיל את הנורות, כך שיהיו נעימות גם לכיס ולא רק לעין.

תודה לאילן הורוביץ מהמחלקה למערכות מורכבות במכון ויצמן למדע על סיועו לכתיבת הכתבה.