Zoals wellicht bekend hebben gewone gloeilampen een rendement van slechts ongeveer 5%. Voor halogeenlampen is het met 10 tot 15 procent niet veel beter. Gelukkig halen spaarlampen en tl-buizen een rendement dat een factor 5 à 6 hoger ligt, dus niet getreurd zou je zeggen. Voor toepassingen waarbij een hoge lichtopbrengst gevraagd wordt, zoals bijvoorbeeld etalage, gevel of stadionverlichting zijn deze lampen echter niet bruikbaar. Daarom wordt er hard gewerkt aan een energiezuinige lamp die hiervoor wel geschikt is.
De HID lamp
Een veelbelovende kandidaat is de HID lamp. HID staat voor High Intensity Discharge, wat in het Nederlands zoveel betekent als ‘hoge druk ontlading’. Dit zijn lampen met een hoge efficiëntie die een grote lichtopbrengst hebben uit een klein volume, waardoor het licht zich goed met lenzen laat bundelen en richten. In een HID lamp wordt het licht opgewekt in een plasma, een gas van geladen deeltjes. Het plasma wordt bijeengehouden door de ‘burner’, een klein buisje (een paar centimeter lang en een paar millimeter in doorsnee) dat op zijn beurt weer gemonteerd is in de ‘buba’, een omhulsel van glas of kwarts dat gevuld is met een inert gas (bv stikstof) of vacuüm gezogen is. Dit plasma bestaat voor het grootste deel uit kwik en voor een klein deel uit zouten (veelal metaaljodiden, een verbinding tussen een metaal en jood). Hoewel het kwik het grootste gedeelte van de druk voor zijn rekening neemt (zo’n 10-50 bar) zorgen de zouten (met een partiële gasdruk van 5-50 mbar) voor het leeuwendeel van de lichtproductie.
Intermezzo: Plasma
Plasma wordt ook wel de vierde toestand van de materie genoemd, naast de vaste, de vloeibare en de gasvormige fase. Een plasma is eigenlijk niets meer dat een gas van geladen deeltjes: de atomen zijn ‘gestript’ van (enkele) van hun elektronen, waardoor er positief geladen ionen en vrije elektronen rondzweven. Hierdoor spelen in een plasma elektrische en magnetische velden een grote rol, in tegenstelling tot gewone gassen waarbij het gedrag alleen bepaald wordt door botsingen tussen de deeltjes onderling en met de wand.
Op aarde komen plasma’s in de natuur niet veel voor, hoewel de bliksem en het noorderlicht voorbeelden zijn van natuurlijke plasma’s. Van de materie in het heelal bestaat echter meer dan 99,99% als plasma (alle sterren zijn grote plasma’s).
In onze moderne techniek worden plasma’s ook steeds vaker gebruikt: in lampen, bij de productie van chips, in de geneeskunde (plasmanaalden), bij kernfusie en plasma tv’s.
Ontmenging
Een groot probleem met HID lampen op dit moment zijn de kleurverschillen in de lamp als deze brandt. Dit is een verschijnsel met een zeer complexe oorzaak, dat onder andere aan de Technische Universiteit Eindhoven wordt onderzocht. Inmiddels is duidelijk dat er drie belangrijke fysische principes een rol spelen: het chemische evenwicht, diffusie en convectie.
In het midden van de lamp heersen temperaturen van 4000 tot 5000 graden. Hierdoor zijn de zouten gesplitst in de atomen waaruit ze opgebouwd waren en deze atomen zijn op hun beurt weer uit elkaar getrokken in elektronen en ionen. Aan de wand is de temperatuur met zo’n 1000 graden echter veel lager, waardoor er daar veel meer zoutmoleculen over zijn.
Deze verschillen in concentratie tussen elektronen,ionen, atomen en moleculen geven aanleiding tot diffusie: de elektronen, ionen en atomen willen van binnen naar buiten en de moleculen willen van buiten naar binnen. Omdat de moleculen echter een stuk groter zijn dan de andere deeltjes, bewegen zij zich moeilijker door het plasma, waardoor er een netto transport van zout van binnen naar buiten optreedt, tot er een nieuw evenwicht ontstaat. Dit verschijnsel heet radiale ontmenging.
Convectie is stroming door temperatuur verschillen. Omdat het plasma in het midden van de lamp heter is dan aan de wand, zal dit omhoog bewegen (zoals hete lucht boven een verwarming). Bovenin raakt het de bovenkant, koelt af en beweegt langs de wand naar beneden. Het plasma langs de wand bevatte echter meer zout dan het plasma in het midden, zodat er transport van zout naar beneden plaatsvindt. Dit heet axiale ontmenging en zorgt ervoor dat er onder in de lamp meer licht wordt uitgezonden dan bovenin. Diffusie en convectie zijn geïllustreerd in het rechterplaatje. De letter A staat hierbij voor de atomen en M voor de moleculen.
Intermezzo: Licht uit gasontladingen
Een atoom bestaat uit een positief geladen kern met daaromheen negatief geladen elektronen. In een normale toestand bevinden de elektronen zich zo dicht mogelijk bij de kern, waardoor ze een zo laag mogelijke energie hebben. Wanneer er echter energie aan een atoom wordt toegevoerd, door de absorptie van een foton of een botsing met een ander atoom of elektron, kan een elektron overspringen naar een baan die verder van de kern afligt (en dus een hogere energie heeft). Zo’n elektron in een hogere baan zal na verloop van tijd weer terug vallen naar een lagere baan en daarbij zal het verschil in energie worden uitgezonden in de vorm van een foton. Dit proces wordt samengevat in de volgende formule:
Hierbij is ΔE het energieverschil tussen de twee elektronenbanen, Ef de energie van het foton, h de constante van Planck en fde frequentie van het foton. Hieruit valt op te maken dat de kleur van het licht (die samenhangt met de frequentie) afhangt van het energieverschil van de overgang. Omdat de energie niveaus in een atoom discreet zijn (er zijn slechts bepaalde energieën mogelijk) zijn er dus ook maar bepaalde kleuren licht die kunnen worden uitgezonden, de zogenaamde spectraal lijnen. Deze lijnen zijn voor ieder element uniek, waardoor ze als het ware een soort vingerafdruk vormen waaraan je een element kunt herkennen. Hiervan wordt gebruik gemaakt in een spectrometer.
Instabiliteit
Een ander probleem dat bij HID lampen regelmatig optreedt is de zogenaamde helische instabiliteit. Hierbij wordt het centrale kanaal van het plasma weggedrukt van de as en kan er zelfs omheen gaan draaien, als een soort kurkentrekker. Hoewel dit op zich niet schadelijk hoeft te zijn voor de lamp of de lichtopbrengst, is een flikkerende lamp in veel gevallen ongewenst en dus zoekt men naar oplossingen.
Dit verschijnsel wordt helaas nog niet goed begrepen, maar men vermoedt dat het te maken heeft met het magnetische veld dat opgewekt wordt door de stroom die door het plasma loopt. De bewegende geladen deeltjes waaruit een plasma bestaat ervaren daarom een Lorentz-kracht, die het plasma naar de wand drukt. Hierdoor verandert echter de vorm van het plasma en dus ook die van het magneetveld, waardoor ook de kracht op het plasma weer verandert.
Helische instabiliteit treedt vaak op bij hogere efficiëntie en hogere lampvermogens en er zijn ook aanwijzingen dat er een relatie is met de mate van ontmenging. Het filmpje hierboven toont een instabiele lamp (in werkelijkheid stond de lamp verticaal).
Intermezzo: Het spectrum van een lamp
Een gloeiend voorwerp zendt licht uit in een continue spectrum, waarvan het maximum gegeven wordt door de wet van Wien:
waarin λmax de golflengte is met de maximale intensiteit, T de temperatuur in Kelvin en kw de constante van Wien (2,8978 10-3 m K). Licht dat van een plasma komt bevat echter alleen de spectraallijnen van de elementen die erin zitten. Nu kun je ervoor zorgen dat ons oog het licht van lamp als wit ervaart door elementen te kiezen met spectraal lijnen bij 460 nm (blauw), 535 nm (groen) en 620 nm (rood), maar dit geeft problemen bij het weergeven van kleuren (in het licht van een gele straatlantaarn kun je ook nauwelijks kleuren onderscheiden). In HID lampen wordt dit echter opgelost door een heleboel verschillende elementen in de lamp te doen, waardoor er zeer veel spectraallijnen aanwezig zijn en zo een continue spectrum benaderd wordt.
Ruimte onderzoek
Er zijn twee situaties waarin axiale ontmenging effectief bestreden kan worden: bij weinig convectie óf juist bij veel convectie in de lamp. In het tweede geval wordt door de heftige convectie het hele plasma in de lamp goed gemengd, zodat er nauwelijks radiale en axiale ontmenging optreedt. Dit is te bereiken door bijvoorbeeld de diameter van de burner te vergroten.
In het eerste geval is er wel radiale ontmenging maar doordat er nauwelijks convectie is geen verticaal transport van zouten, waardoor er geen axiale ontmenging optreedt. Dit is eigenlijk alleen goed te onderzoeken in gewichtsloze toestand, waarbij er geen ‘lichter’ en ‘zwaarder’ bestaan. Ook het bestuderen van helische instabiliteiten bij zero G (geen zwaartekracht) levert nieuwe inzichten op.
Een van de mogelijkheden om in gewichtsloze toestand experimenten te doen is tijdens een paraboolvlucht. Hierbij vliegt een vliegtuig dezelfde baan die een tennisbal beschrijft wanneer je hem schuin omhoog zou gooien (een parabool). Je bent dus een tijdje, zo’n 20 seconden, in vrije val, waarbij het vliegtuig als het ware ‘om je heen valt’.
Helaas is deze tijd te kort om een lamp tijdens een experiment een evenwichtstoestand te laten bereiken, maar toch leveren de paraboolvluchten zeer waardevolle gegevens voor het voorbereiden van de uiteindelijke ruimtemissie.
Wanneer je een experiment wilt doen waarbij je voor langere tijd geen last hebt van de zwaartekracht is er eigenlijk maar een optie: het ISS, het internationale ruimtestation. In april 2004 heeft de Nederlandse astronaut André Kuipers een ruimtevlucht gemaakt naar het ISS, waar hij onder andere een experiment heeft uitgevoerd met HID lampen, in het kader van het Arges project, een samenwerking van onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven met Philips.
Hierbij zijn 20 lampen getest onder verschillende condities (denk hierbij aan een grotere of kleinere stroom door de lamp). Tijdens het experiment zijn de lampen gefilmd (zie filmpje hierboven) en zijn er spectrale metingen gedaan. Op dit moment is men hard bezig om alle data te verwerken, zodat de volgende generatie lampen van al deze problemen geen last meer heeft. Wie weet sporten, winkelen en leven we over een paar jaar bij het licht van deze lampen.
Meer over lampen in het algemeen: www.lampreview.net/
Onderzoek aan lampen: www.einlightred.tue.nl
