Немецкая премия будущего 2007 года
В минувший четверг, 6-го декабря, в Берлинском конгресс-центре состоялась торжественная церемония присуждения Немецкой премии будущего за 2007-й год. Почётная награда вручалась уже в 11-й раз, так что в зале присутствовало немало лауреатов прошлых лет, а также бывший президент Германии Роман Герцог (Roman Herzog), который некогда и учредил эту премию, присуждаемую за выдающиеся достижения в области техники и инноваций. По замыслу Герцога, премия призвана способствовать развитию немецкой науки – прежде всего, тех её приоритетных направлений, которые могут обеспечить Германии ведущие в мире позиции в сфере высоких технологий. Тогда, одиннадцать лет назад, Роман Герцог сказал:
Мы сможем в будущем поддерживать высокий уровень благосостояния, финансировать нашу систему социальных гарантий и эффективно осуществлять экологические программы лишь в том случае, если в сфере научных исследований и технических разработок останемся среди мировых лидеров. Благосостояние нашей страны построено на достижениях наших учёных и инженеров. Так должно быть и впредь! Поэтому мы должны всячески поощрять наших молодых учёных и инженеров, одаривать их не только деньгами, но и вниманием и признанием.
Помимо почётного диплома и памятного знака, лауреаты премии получают и солидное денежное вознаграждение, составляющее 250 тысяч евро. Следует также отметить, что при определении проекта-победителя жюри с самого начала отдавало и по-прежнему отдаёт предпочтение не фундаментальным исследованиям, какими бы выдающимися они ни были, а прикладным инновациям. И эту функцию – поддерживать разработки, в которых смелые научные идеи либо уже нашли, либо вот-вот найдут конкретное техническое воплощение, – Немецкая премия будущего исправно выполняет. Достаточно сослаться на некоторые из проектов-лауреатов прошлых лет. Вот, скажем, профессору Петеру Грюнбергу (Peter Grünberg) из Исследовательского центра в Юлихе как раз сегодня вручали в Стокгольме Нобелевскую премию по физике за открытие так называемого гигантского магнитосопротивления – эффекта, позволившего в десятки раз повысить ёмкость компьютерных жёстких дисков при одновременном уменьшении их габаритных размеров. За это же открытие – вернее, за разработку на его основе высокочувствительных магнитных сенсоров, – профессор Грюнберг в 1998-м году удостоился и Немецкой премии будущего. Сегодня эти сенсоры обязательно присутствуют в любом компьютере, любом мобильном телефоне, любом МР3-плеере. Кстати, об «МР3»: в 2000-м году разработчики этой технологии, позволяющей так обрабатывать аудио-файлы, что их размер в сравнении с размером необработанного сигнала уменьшается в 6, 8, 10 раз без ощутимых на слух потерь в качестве звучания, тоже были удостоены Немецкой премии будущего. Пожалуй, сегодня во всём мире не сыщешь человека, который никогда не слышал бы об этом стандарте, а МР3-плееры уже давно превратились в сенсационно ходовой товар. То есть разработка, удостоенная Немецкой премии будущего, привела к возникновению целой новой отрасли и созданию десятков тысяч рабочих мест.
А теперь давайте обратимся к проектам 2007-го года. Всего на соискание премии было выдвинуто 23 работы, но в финал, как и в прошлые годы, вышли четыре. Премии, как водится, удостоилась лишь одна из них, но мы представим вам все проекты-финалисты, потому что каждый из них является выдающейся инновацией, достойной самой высокой награды. Ну а поскольку рассказать о четырёх крупных разработках в рамках одной передачи нереально, то сегодня речь пойдёт только о проекте-победителе. Остальные три проекта-финалиста мы представим вам ровно через неделю, в следующем выпуске радиожурнала «Наука и техника».
Итак, о победителях. Решение жюри огласил, как того требует статус премии, нынешний президент Германии Хорст Кёлер (Horst Köhler):
Немецкой премией будущего за 2007-й год награждаются доктор Клаус Штройбель, доктор Андреас Бройер и доктор Штефан Иллек за проект «Свет из кристаллов»...
Полное название этого проекта звучит так: «Свет из кристаллов: светодиоды завоёвывают наш быт». Как известно, наиболее распространённым в быту источником света сегодня всё ещё является лампа накаливания, изобретённая в первой половине 19-го века и с тех пор претерпевшая мало изменений. Лампы накаливания бесспорно имеют немало достоинств, иначе они не продержались бы так долго, однако им присущ и один весьма существенный недостаток: они крайне неэкономичны. Хотя почти вся электроэнергия, потребляемая лампой накаливания, практически без потерь преобразуется в излучение, значительная часть этой излучаемой энергии приходится на невидимую человеческому глазу инфракрасную часть спектра, то есть воспринимается как тепло. В видимый свет преобразуется лишь около 3-х процентов потребляемой энергии, светоотдача составляет не более 20-ти люменов на ватт. А увеличение рабочего напряжения на 20 процентов хоть и повышает светоотдачу вдвое, но сокращает срок службы лампы аж на 95 процентов. Понятно, что устройство с коэффициентом полезного действия в 3 процента – это просто катастрофа, особенно в ситуации, требующей максимальной экономии энергоресурсов. Австралия, например, уже объявила о намерении в ближайшем будущем запретить использование традиционных ламп накаливания. Однако полноценной замены им до сих пор не было – во всяком случае, ни люминесцентные лампы (именуемые также лампами дневного света), ни так называемые энергоэкономичные лампы не смогли составить серьёзную конкуренцию лампам накаливания. И вот решение проблемы, похоже, найдено. Его предложили Клаус Штройбель (Klaus Streubel), Андреас Бройер (Andreas Bräuer) и Штефан Иллек (Stefan Illek), за что и удостоились Немецкой премии будущего. На смену лампе накаливания должен прийти светоизлучающий диод, чаще именуемый просто светодиодом. Это электронное устройство, содержащее полупроводниковый переход, в котором при прохождении электрического тока генерируется оптическое излучение. Я не буду подробно останавливаться здесь на устройстве светодиода так же, как я не стал излагать и устройство лампы накаливания. Вполне достаточно сказать, что цвет излучения светодиода определяется используемым полупроводниковым материалом и легирующими примесями, что сегодня производятся светодиоды всех цветов свечения – и красного, и зелёного, и синего, и белого, и жёлтого, и инфракрасного, и ультрафиолетового, – и что светодиоды уже давно находят применение в технике – например, в качестве индикаторов режима работы в аппаратах бытовой электроники и на приборных досках автомобиля, или в качестве источников света в карманных фонариках и велосипедных фарах. В отличие от ламп накаливания, светодиоды не боятся тряски и вибрации, они обладают высоким быстродействием и малыми габаритными размерами, служат очень долго и потребляют мало энергии. Однако и они не лишены недостатков. Так вот, нынешним лауреатам Немецкой премии будущего удалось существенно улучшить эксплуатационные свойства светодиодов, усовершенствовав все три их основных конструктивных элемента – и сам полупроводниковый чип, и его корпус, и оптическую систему. На разработчиков тотчас обрушилась лавина запросов. Андреас Бройер, сотрудник Института прикладной оптики и точной механики имени Фраунгофера в Йене, говорит:
Нас просто поразило, как быстро отреагировали все пользователи, перед которыми стоят те или иные задачи в области освещения. Все хотят решать их теперь с использованием светодиодов. К нам даже строители планетариев обратились – они тоже собираются заменить свои галогенные лампы на светодиоды.
Хотя светодиоды способны преобразовать в свет большую долю потребляемой электроэнергии, чем любой другой источник света, они долгое время считались малоэффективной альтернативой лампам накаливания, потому что значительная часть светового излучения терялась внутри полупроводникового кристалла. Штефан Иллек, инженер компании «Osram Opto Semiconductors» в Регенсбурге, поясняет:
Главная проблема состоит, собственно, в том, что наружу из кристалла выходит лишь очень незначительная часть света. Это объясняется высоким показателем преломления полупроводникового материала. В результате 90 процентов генерируемого света не могут покинуть кристалл вследствие полного внутреннего отражения.
Чтобы существенно повысить светоотдачу светодиодов и одновременно снизить их энергопотребление, инженеры фирмы «Osram» используют разработанную ими в конце 90-х годов так называемую тонкоплёночную технологию производства полупроводниковых кристаллов. Речь идёт о послойном – эпитаксиальном – наращивании кристаллического материала на специальной подложке. Ранее эта подложка оставалась внутри диода, что приводило к значительным потерям полезного светового излучения. Теперь же благодаря новой технологии появилась возможность методом напыления нанести на верхнюю поверхность светоизлучающего слоя тончайшую металлическую плёнку. Эта плёнка служит светоотражателем, а исходная подложка удаляется. В результате тонкий светоизлучающий слой оказывается расположен у самой поверхности светодиода, что значительно повышает эффективность вывода излучения наружу. Но преимущества такого модуля этим не ограничиваются. Поскольку почти весь генерируемый свет покидает кристалл в одном направлении, светодиоды можно размещать очень близко друг к другу. Это и позволило сконструировать новый тип корпуса, способный оптимально вместить сразу множество светодиодных чипов. Тепло в нём отводится вниз, все чипы легко управляются порознь и могут комбинироваться в любом сочетании. Этот корпус стал важным компонентом инновации, удостоенной теперь Немецкой премии будущего. Но осталась ещё одна проблема: свет с поверхности чипа беспорядочно распространяется во все стороны. За оптимизацию светоотдачи взялся Институт прикладной оптики и точной механики имени Фраунгофера в Йене. Андреас Бройер говорит:
Задача оптической системы состоит в том, чтобы свет, излучаемый упакованными в новый корпус светодиодами, не терялся и не рассеивался куда попало. Наша оптика позволяет направить на подлежащий освещению объект до 80-ти процентов генерируемого света. Для сравнения: без специальной оптической системы этот показатель составит всего лишь от 10-ти до 20-ти процентов. Сами понимаете, это колоссальная разница.
Одним из двух ключевых элементов новой оптической системы является расположенное перед источником излучения специальное фокусирующее устройство, состоящее из нескольких линз и отражателей. Оно позволяет получить чётко очерченное световое пятно. Но этого недостаточно, поскольку свет внутри пятна распределён настолько неравномерно, что тёмные и светлые участки буквально бросаются в глаза.
Бог ты мой, это же просто катастрофа, что мы тут получили!
восклицает Андреас Бройер. Для решения проблемы был разработан второй ключевой элемент оптической системы. В зависимости от размера светодиода перед ним монтируются сотни или даже тысячи миниатюрных, диаметром в полмиллиметра, линзочек. Они размещены в два слоя, причём решающую роль играет их взаимное расположение, – говорит Андреас Бройер:
В этом-то и состоит искусство, чтобы фокус каждой верхней линзочки располагался точно на поверхности соответствующей нижней линзочки. Только так можно реализовать оптимальное смешение отдельных лучей, которое обеспечивает строго равномерное освещение объекта.
Сфера применения таких светодиодов нового поколения чрезвычайно широка, – говорит Андреас Бройер:
Начиная с сигнальных огней на железной дороге и заканчивая зубоврачебными и операционными лампами. Причём в медицине можно обеспечить освещение в том диапазоне длин волн, который позволяет оптимально изучать данный вид тканей. Затем автомобильные фары – они появятся на рынке уже в будущем году. Потом – уличные фонари. А там уже рукой подать и до освещения жилых помещений.
Новая разработка призвана сыграть важную роль в решении задач по снижению эмиссии парниковых газов, – подчёркивает третий награждённый – сотрудник фирмы «Osram Opto Semiconductors» Клаус Штройбель:
Если бы сегодня все имеющиеся традиционные источники света были заменены светодиодами, это позволило бы сразу сэкономить немало электроэнергии, а это значит, отпала бы потребность в новых электростанциях и уменьшился бы выброс углекислого газа. Есть такой расчёт, касающийся автомобильных фар: если один лишь ближний свет реализовать с помощью светодиодов, это уже позволит сэкономить 0,2 литра бензина на 100 километров пробега и тем самым сократить выброс СО2 на 5 граммов на километр. Этот пример наглядно показывает, какой огромный потенциал экономии, будь то горючего или выбросов парниковых газов, связан с переходом на светодиодное освещение.
И этот переход, судя по всему, не заставит себя ждать. Более того, он уже начался. Светодиодные светофоры на улицах немецких городов, светодиодные тормозные и габаритные огни автомобилей – уже сегодня реальность. И это понятно: ведь если у 100-ваттной лампы накаливания светоотдача составляет около 17-ти люменов на ватт, то у тонкоплёночного светодиода фирмы «Osram» этот показатель достигает ста люменов на ватт. В то же время срок службы светодиода в сто раз превышает срок службы привычной лампы накаливания – значит, светодиоды в сто раз реже нуждаются в замене. А это – тоже экономия.