Σύγχρονα υλικά παραχθέντα εργαστηριακά (λεγόμενα και κβαντικά υλικά) πρόκειται να επιφέρουν σημαντικές αλλαγές σε πολλές κατασκευές. Ανάμεσά τους, τα σύγχρονα συστήματα φωτισμού, τα οποία αναμένεται να αντικαταστήσουν τους παραδοσιακούς λαμπτήρες φθορισμού. H αντικατάστασή τους γίνεται ήδη σταδιακά στις ΗΠΑ από ηλεκτρονικές διατάξεις που ονομάζονται «δίοδοι εκπομπής φωτός» (Light Emitting Diodes) ή «πηγές φωτός στερεάς κατάστασης» (Solid State Lighting) που έχουν τη δυνατότητα παραγωγής φωτός με πολύ μικρότερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και με πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής.
Φιλικά στο περιβάλλον
Περίπου 20% της ετησίως παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας καταναλώνεται για φωτισμό. Μόνο στις ΗΠΑ, οι δαπάνες για τον φωτισμό είναι δυνατόν να μειωθούν κατά 100 δισ. δολάρια μέχρι το 2020 με την αντικατάσταση των παραδοσιακών λαμπτήρων. Σύμφωνα με μελέτες του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας, από την αντικατάσταση των λαμπτήρων πυρακτώσεως και φθορισμού με «διόδους εκπομπής φωτός» θα εξοικονομηθούν 760 δισεκατομμύρια Watt έως το 2025, ενώ η επιβάρυνση του περιβάλλοντος από τα απόβλητα των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας θα ελαττωθεί σημαντικά καθώς η εξοικονόμηση της ενέργειας ισοδυναμεί με τη μείωση εκπομπής στην ατμόσφαιρα διοξειδίου του άνθρακα κατά 250 εκατομμύρια μετρικούς τόννους. Εξίσου σημαντική είναι η προβλεπόμενη αναστολή κατασκευής 130 περίπου σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που θα ήταν αναγκαία για να καλυφθεί η αυξανόμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κυβερνήσεις των βιομηχανικών χωρών χρηματοδοτούν γενναιόδωρα την επιστημονική έρευνα, για να επιταχύνουν τον ρυθμό προόδου στην σύνθεση νέων υλικών, η οποία έως σήμερα βασίζεται κυρίως στις προσπάθειες των μεγάλων εταιρειών ηλεκτρονικών.
Πώς λειτουργούν
Οπως εξηγεί ο κ. Ελευθέριος Σκούρας, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων «σε έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως, που λειτουργεί σε θερμοκρασία περίπου 2.200 βαθμών Κελσίου, το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνεται δαπανάται για την παραγωγή υπέρυθρης ακτινοβολίας, την οποία δεν βλέπουμε, αλλά αισθανόμαστε ως θερμότητα. Μόνο 15% της ενέργειας μετατρέπεται σε φως της ορατής περιοχής του φάσματος στην οποία ο οφθαλμός μας είναι ευαίσθητος. Αυτή είναι μία σημαντική απώλεια ενέργειας.
Σε αντίθεση με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως, η ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται στις διόδους εκπομπής φωτός μετατρέπεται σχεδόν αποκλειστικά σε φως. Μία δίοδος εκπομπής φωτός (η απλούστερη δομή της) αποτελείται από δύο παράλληλα στρώματα ή περιοχές ενός ανόργανου ημιαγώγιμου υλικού που έχουν σχήμα ορθογωνίου παραλληλεπιπέδου και ευρίσκονται σε επαφή. Η μία περιοχή είναι πλούσια σε ελεύθερα ηλεκτρόνια και η άλλη σε οπές που πηγαίνουν τα ηλεκτρόνια. Οταν μία τάση εφαρμοσθεί στις δύο περιοχές του ημιαγώγιμου υλικού, για παράδειγμα εάν συνδέσουμε τον θετικό ακροδέκτη μιας μπαταρίας στην περιοχή που είναι πλούσια σε οπές και τον αρνητικό ακροδέκτη στην περιοχή που είναι πλούσια σε ηλεκτρόνια, τότε οι οπές και τα ηλεκτρόνια κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις, συναντώνται και επανασυνδέονται, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση ενέργειας με τη μορφή φωτός ενός μόνο χρώματος».
Νέοι σηματοδότες
Οι δίοδοι εκπομπής φωτός χρησιμοποιούνται ήδη σε εφαρμογές που απαιτούν μονοχρωματική ακτινοβολία όπως λ.χ. οι φωτεινοί σηματοδότες με πολύ σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Ας υποθέσουμε ότι στους συμβατικούς φωτεινούς σηματοδότες, οι λαμπτήρες πυρακτώσεως έχουν ισχύ 150W. Παραμένουν ανοικτοί επί 24 ώρες και συνεπώς για κάθε λαμπτήρα πυρακτώσεως απαιτούνται 3,6 κιλοβατώρες (KWh) ημερησίως. Αν η δαπάνη για την αγορά μιας κιλοβατώρας είναι 0,1 ευρώ, τότε η κατανάλωση ημερησίως ανέρχεται σε 0,36 ευρώ και ετησίως σε περίπου 130 ευρώ. Σε κάθε διασταύρωση υπάρχουν οκτώ φωτεινά σήματα για τη λειτουργία των οποίων απαιτείται ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας που αντιστοιχεί σε περίπου 1.000 ευρώ. Οι δίοδοι φωτεινής ακτινοβολίας καταναλώνουν έως 20 W αντί 150 W, συνεπώς η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας είναι μειωμένη κατά περισσότερες από επτά φορές.Η προβλεπόμενη καθολική αντικατάσταση των λαμπτήρων πυρακτώσεως και φθορισμού προϋποθέτει την κατασκευή διόδων εκπομπής λευκού φωτός.
Η έρευνα συνεχίζεται στο εξωτερικό αλλά και στην Ελλάδα, με τις δραστηριότητες του Τομέα Ηλεκτρονικών και Νανοδομικών Υλικών του νεοσύστατου Τμήματος Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων να επικεντρώνονται στη σύνθεση προηγμένων υλικών και στη μελέτη των ηλεκτρικών και οπτικών ιδιοτήτων τους.