ثورة في تاريخ الإضاءة

في عام 2011، أوقفت المملكة المتحدة وهولندا بيع المصابيح المتوهجة. قبل ذلك، كانت أستراليا والأرجنتين وإيطاليا قد بادرت بحظر البيع في عام 2010. وبعد ذلك، توسعت قائمة الدول التي حظرت البيع لتشمل الاتحاد الأوروبي وكندا والولايات المتحدة. ومع حلول عام 2017، أوقفت الصين القارية أيضًا بيع المصابيح المتوهجة، ومنذ ذلك الحين لم تعد هناك مصابيح متوهجة في البلاد.

قبل أكثر من قرن من الزمان، في عام 1879، قاد إديسون البشرية إلى "عصر النور" الجديد بمصباح كهربائي بسلك التنجستن؛ وبعد أكثر من قرن، في عام 2017، بلغت المصابيح المتوهجة "شيخوخة" الـ138 عامًا، وقد شاخت، تاركة المسرح الواسع لبطل جديد - مصباح LED.

　　المصباح ذو الفتيل التنجستيني العريق

　　تحوّل معظم المصابيح المتوهجة 90% من الطاقة التي تستهلكها إلى حرارة غير مفيدة، ولا يُصبح أقل من 10% من الطاقة ضوءًا.

　　«في 21 أكتوبر 1879، أشعل مخترع أمريكي أول مصباح كهربائي عملي في العالم من خلال تجارب متكررة طويلة. ومنذ ذلك الحين، دخل اسم المخترع، مثل المصباح الكهربائي الذي اخترعه، إلى ملايين المنازل. إنه إديسون، الذي لُقّب لاحقًا بـ«ملك المخترعين».»

　　انتشرت هذه القصة في ملايين المنازل. وعلى الرغم من أن بعض المصادر تذكر أمريكيًا يُدعى هنري غوبل، سبق إديسون في استخدام خيوط الخيزران المكربنة وتوصيلها بالكهرباء لإنتاج الضوء، إلا أن إديسون هو من أجرى تجارب فعلية على أكثر من 1600 مادة مقاومة للحرارة، واستخدم في النهاية خيوط التنغستن كفتيل لإنتاج الضوء لفترات طويلة.

　　مصباح خيط التنغستن هو ما يُعرف تقليديًا بـ«المصباح المتوهج». في عام 1906، اخترعت شركة جنرال إلكتريك طريقة لتصنيع خيوط التنغستن للمصابيح الكهربائية، مما حل في النهاية مشكلة الإنتاج الرخيص لخيوط التنغستن. ودخلت مصابيح التنغستن الكهربائية إلى المنازل العادية، ولا تزال مستخدمة حتى اليوم.

　　ومع ذلك، فإن نجاح المصباح المتوهج وفشله كلاهما نابعان من خيط التنغستن. فالفروق الطفيفة في المقاومة الكهربائية على طول الخيط تسبب تفاوتًا في درجات الحرارة؛ حيث تكون المقاومة أعلى، ترتفع درجة الحرارة أكثر، مما يتسبب في تسامي التنغستن بشكل أسرع، مما يجعل الخيط أرق، ويزيد المقاومة في حلقة تنتهي بحرق الخيط. وقد أرقت هذه المشكلة عمر المصابيح الكهربائية لفترة طويلة، إلى أن اكتشف المهندسون أن استبدال الفراغ بغاز خامل يمكن أن يبطئ تسامي التنغستن. واليوم، تُملأ معظم المصابيح الكهربائية بالنيتروجين أو الأرجون أو الكريبتون، ويبلغ عمرها الافتراضي حوالي 1000 ساعة.

　　بعد قرن من الزمان، اضطرت المصابيح المتوهجة إلى مواجهة مأزق الانسحاب من خشبة المسرح التاريخية. تُحوّل معظم المصابيح المتوهجة 90% من الطاقة المستهلكة إلى حرارة غير مفيدة، ولا يتحول أقل من 10% منها إلى ضوء. هذا الهدر الهائل قدّر للمصابيح المتوهجة مصيرًا وشيكًا نهايته.

　　من أجل الحفاظ على الطاقة وحماية البيئة، وضعت مختلف الدول جداول زمنية للتخلص التدريجي من المصابيح المتوهجة: كانت أستراليا والأرجنتين وإيطاليا في الطليعة حيث أوقفت بيع المصابيح المتوهجة في عام 2010؛ والمملكة المتحدة وهولندا في عام 2011؛ والاتحاد الأوروبي وكندا في عام 2012؛ والولايات المتحدة في عام 2014؛ وستكون البر الرئيسي للصين آخر من يوقف بيع المصابيح المتوهجة في عام 2017.

　　ظهور المصباح الفلوري

　　تتمتع المصابيح الفلورية بكفاءة إضاءة عالية ومساحة إضاءة واسعة. كفاءتها في استخدام الطاقة قريبة من 40%، والحرارة التي تنتجها هي 1/6 فقط من حرارة المصباح المتوهج بنفس السطوع.

　　اعتمادًا على أكتاف هذا «العملاق» الذي هو المصباح المتوهج، بدا ظهور المصابيح الفلورية تطورًا طبيعيًا. في عام 1910، اخترع الفرنسي أ. كلود مصباح تفريغ النيون. قام بملء الزئبق في المصباح لإنشاء أنبوب يصدر ضوءًا أزرق، ثم طلى الجدار الداخلي للأنبوب بمسحوق الفوسفور لإنشاء أنبوب يصدر ضوءًا أبيض.

　　في عام 1939، في معارض نيويورك ولوس أنجلوس العالمية، تم الكشف عن أول مصباح فلوريسنت عملي. وُلد رسمياً "المصباح الفلوريسنت"، وهو مصدر ضوء كهربائي يستخدم الفوسفور لتحويل الأشعة فوق البنفسجية المتولدة أثناء عملية تفريغ بخار الزئبق منخفض الضغط إلى ضوء مرئي. تُصنع المصابيح الفلوريسنتية بشكل عام على شكل أنبوبي، وتُعرف عادةً باسم "أنابيب الضوء". تتميز بكفاءة إضاءة عالية ومساحة إضاءة كبيرة، حيث تصل كفاءة الطاقة فيها إلى حوالي 40%، بينما تنتج سدس الحرارة فقط مقارنةً بمصباح متوهج بنفس السطوع. بالإضافة إلى ذلك، يصدر المصباح الفلوريسنت ضوءاً ناعماً، وله عمر خدمة طويل، ويمكن أن يقترب من لون ضوء النهار أو ألوان ضوئية أخرى متنوعة، مما يجعله مصدراً ممتازاً للإضاءة الداخلية.

　　أدى تقليل قطر أنابيب المصابيح الفلوريسنتية إلى تحسين كفاءة الإضاءة، ومهد لظهور "مصباح التوفير في الطاقة". الاسم الرسمي لمصابيح التوفير في الطاقة هو مصابيح الفلوريسنت المدمجة ثلاثية الألوان من العناصر الأرضية النادرة، التي وُلدت في السبعينيات من القرن العشرين في شركة فيليبس في هولندا. تتشابه مصابيح التوفير في الطاقة في حجمها مع المصابيح المتوهجة، وتستخدم نفس واجهة المقبس، لذا يمكنها استبدال المصابيح المتوهجة مباشرةً. مع تقديم نفس خرج الضوء، تستهلك هذه المصابيح 1/5 إلى 1/4 فقط من كهرباء المصابيح المتوهجة العادية، مما يوفر كميات كبيرة من طاقة وتكاليف الإضاءة—ومن هنا جاء اسم "مصباح التوفير في الطاقة".

　　مصابيح HID التي تنير الليل

　　يُنتج مصباح HID القياسي أكثر من ثلاثة أضعاف التدفق الضوئي للمصباح العادي، مع درجات حرارة لون تتراوح من 3000 كلفن إلى أكثر من 12000 كلفن. وهو مناسب للإضاءة الليلية وإضاءة الشوارع.

　　في حين كانت المصابيح الفلوريسنتية قيد التطوير، كان فرع آخر من المصابيح يتطور أيضاً. في عام 1932، تم طرح مصابيح الزئبق عالية الضغط للبيع، مما يمثل بداية مصابيح HID (التفريغ عالي الكثافة).

　　في عام 1961، قدّم جيلبرت ريلينغ من شركة جنرال إلكتريك أول براءة اختراع لمصباح هاليد المعدن، وهو مصباح مناسب للإضاءة التجارية وإضاءة الشوارع والإضاءة الصناعية. وبعد ثلاث سنوات، في عام 1964، تم عرضه في المعرض العالمي، مما أبهر الجمهور.

　　بعد ذلك بفترة قصيرة، طرحت شركة جنرال إلكتريك مصباح الصوديوم عالي الضغط في عام 1965. وبدأت عائلة مصابيح HID في التوسع بشكل ملحوظ. وكسرت مصابيح الزينون مبدأ التوهج بالفتيل التنغستن الذي اخترعه إديسون، حيث يُملأ غاز الزينون الخامل عالي الضغط داخل أنابيب قوس الكوارتز بدلاً من الفتيل التقليدي، مع وجود الزئبق ومركبات الكربون على القطبين. ويقوم كابح بتمرير تيار عالي الجهد يبلغ 23000 فولت لتحفيز الزينون على إصدار الضوء.

　　يزيد التدفق الضوئي لمصباح HID القياسي عن ثلاثة أضعاف التدفق الضوئي للمصباح العادي، وتتراوح درجة حرارة لون مصابيح HID من 3000 كلفن إلى أكثر من 12000 كلفن. ويكون لون الضوء عند حوالي 6000 كلفن هو الأقرب إلى ضوء شمس الظهيرة، مما يوفر أعلى مستوى من القبول والراحة للعين البشرية. وعند استخدام هذا النوع من الإضاءة في إنارة المركبات ليلاً وإنارة الشوارع، فإنه يقلل بشكل فعال من إرهاق السائق البصري، كما أن زيادة سطوع مصابيح المركبات يوسع بفعالية نطاق الرؤية أمام السيارة، مما يخلق ظروف قيادة أكثر أمانًا.

　　مصباح LED، مصدر الضوء من الجيل الرابع

　　أشار البعض إلى أن مصابيح LED عالية السطوع ستكون من بين أعظم الاختراعات في تاريخ البشرية منذ اختراع إديسون للمبة المتوهجة.

　　مع دخول القرن الحادي والعشرين، بدأ يظهر بطل جديد على مسرح الإضاءة: مصباح LED.

　　ما هو LED؟ LED هو اختصار لعبارة Light Emitting Diode، وهو الصمام الثنائي الباعث للضوء. في الحقيقة، ظهر مبكراً جداً: في عام 1964 ظهر لأول مرة الصمام الثنائي الباعث للضوء الأحمر، ثم ظهر LED الأصفر. ولم يتم تطوير LED الأزرق والأخضر بنجاح حتى عام 1994. وفي عام 1996، نجحت شركة Nichia اليابانية في تطوير LED الأبيض.

　　بفضل خصائصه المتأصلة — مثل كفاءة الطاقة، والعمر الطويل، ومقاومة الاهتزاز، وسرعة الاستجابة، ومصدر الضوء البارد — يُستخدم LED على نطاق واسع في أضواء المؤشرات، وأضواء الإشارات، والشاشات، وإضاءة المناظر الطبيعية، وغيرها من المجالات، وهو موجود في كل مكان في حياتنا اليومية: الأجهزة المنزلية، والهواتف، وإضاءة لوحة القيادة، وأضواء الضباب للسيارات، وإشارات المرور، وغيرها.

　　في البداية، بسبب قيود مثل ضعف السطوع وارتفاع التكلفة، لم يكن من الممكن الترويج لمصابيح LED كمصدر إضاءة عام. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، ومع التعمق في أبحاث مواد أشباه الموصلات المضيئة، والتحسين المستمر لعمليات تصنيع LED، وتطوير وتطبيق مواد جديدة (بلورات النيتريد والفوسفورات)، تم تحقيق تقدم ثوري في مصابيح LED فائقة السطوع بألوان مختلفة. وقد زادت كفاءتها الضوئية بنحو 1000 ضعف، وتم تحقيق جميع ألوان الطيف المرئي من حيث الإشباع اللوني. والأهم من ذلك، أن ظهور مصابيح LED بيضاء فائقة السطوع قد جعل من الممكن لتطبيقات LED أن تمتد إلى سوق مصادر الإضاءة عالية الكفاءة. وقد قيل إن مصابيح LED عالية السطوع ستكون واحدة من أعظم اختراعات البشرية منذ اختراع إديسون للمصباح المتوهج.

　　"بالمقارنة مع الإضاءة التقليدية، لا تزال إضاءة LED الحالية تعاني من أوجه قصور كثيرة. على سبيل المثال، تتمتع مصادر إضاءة LED بسطوع سطحي عالٍ، مما قد يسبب الوهج إذا كان التصميم البصري سيئاً؛ كما أن منتجات إضاءة LED تعاني من ضعف قابلية التبادل، حيث لا يمكن تبادل منتجات الشركات المختلفة؛ وتفتقر منتجات إضاءة LED إلى المعايير، كما أن طرق الاختبار لم تكتمل بعد؛ كما أن منتجات إضاءة LED باهظة الثمن، ونسبة الجودة إلى السعر ليست مثالية بعد." هذا ما أوضحه البروفيسور تشو تاي مينغ من قسم مصادر الضوء وهندسة الإضاءة بجامعة فودان في تحليله. "لكن إضاءة LED لا تنتج إشعاعاً فوق بنفسجياً ولا تحتوي على زئبق؛ وبالمقارنة مع الإضاءة التقليدية، فإن إضاءة LED أكثر صداقة للبيئة وتنتج تلوثاً ضوئياً أقل."