В прошлом году рынок светодиодов составил 5,3 млрд долларов, в 2010-м прогнозируется рост на 53 процента. В России пока подобный переход к новым технологиям похож на шаг в темноту
В 2014 году на территории России будут запрещены лампы накаливания, знакомые нам как "лампочки Ильича". Из-за их коэффициента полезного действия в 5 процентов они признаны самыми неэффективными источниками света во всем мире. А какие самые эффективные? На Западе работают целые стратегии перевода большинства потребителей на светодиоды — новые энергосберегающие источники света на основе нанотехнологий.
Инновации спасают города
Немецкий город Дортмунд, где большую часть года идут дожди, разорился практически в одночасье. Сначала по экологическим соображением остановили три сталелитейных завода. Когда один из них, похожий на гигантский остов инопланетного чудовища, менее привередливые китайцы разобрали на части, чтобы увезти к себе, грянул второй удар — закрылись угольные шахты, а вслед за ними начала разоряться пивоварня, которая впервые с XIII века лишилась клиентов.
— От разорения нас спасла решительная смена парадигмы — с промышленной на современную нанотехнологическую, — рассказал "Огоньку" директор технопарка инновационных компаний MST.Factory Дортмунда Томас Рихтер. — На кредит Евросоюза и собственные средства администрация города построила "комплекс высоких технологий" — прямо на том месте, где раньше стояла доменная печь. Теперь здесь располагаются лаборатории, оснащенные самым передовым оборудованием, которое мы сдаем в аренду и дополнительно предлагаем полный спектр экспертных консультаций и управленческих услуг. Мы получаем долю от доходов, город — налоги, а компании — возможность быстро выводить новые товары на рынок. Можно сказать, что буквально за несколько лет мы создали Силиконовую долину в миниатюре. Кстати, из 20 компаний, работающих в нашем нанопарке, шесть — русские.
Без шума и пыли
Чтобы попасть на русскую территорию, нужно пройти по идеально чистому технопарку мимо пузатых бочек с промышленными газами и хранилищем жидкого азота, над которым клубится белоснежный пар. Преодолев извилистые коридоры хай-тековского завода, нужно найти дверь с табличкой "Чистая комната". Перечеркнутое сердце с розеткой предупреждает, что сюда нельзя входить людям с кардиостимуляторами. Посетители надевают бахилы, комбинезон, маску и отправляются в шлюз. За порогом находится самый чистый воздух в городе Дортмунде: в кубометре здесь насчитывается не более 100 тысяч частиц, размером меньше 1 микрона. Такая идеальная чистота требуется, когда речь идет о конструировании устройств из отдельных атомов, то есть о нанотехнологиях.
На русской территории немецкого города говорят по-английски. Компания "Оптоган", созданная учениками Жореса Алферова, вот уже несколько лет производит в Дортмунде небольшие партии светодиодов. В этом году ученые планируют открыть подобное высокотехнологичное производство, только в большем объеме, в Петербурге. Это будет первый случай, когда современные разработки в области нанотехнологий будут иметь прямую потребительскую выгоду для россиян. Если этого не сделать сейчас, когда рынок энергосберегающих технологий еще не поделен до конца, нам придется довольствоваться ролью третьих стран, то есть заниматься упаковкой чужих светодиодов.
Не все золото блестит
Считается, что первым нанотехнологом был Майкл Фарадей, создавший более полутора веков назад частицы золота размером 20 нанометров. При этом золото из желтого блестящего вещества превратилось в прозрачную зеленоватую жидкость. С тех пор мысль о том, что можно конструировать материалы с любыми нужными свойствами, не давала человечеству покоя.
— Здесь мы пытаемся переиграть природу,— говорит кандидат физико-математических наук Алексей Ковш, показывая несколько синих шкафов с прозрачным окном посредине.— Перед нами камеры эпитаксиального роста — это своего рода квантомеханический конструктор, который позволяет синтезировать неживую природу с заведомо заданными свойствами.
Алексей Ковш, ученый с мировым именем, имеющий самый высокий индекс цитируемости среди молодых ученых, занимающихся физикой твердого тела, после 10 лет работы в западных компаниях решил вернуться в Россию.
— В России, несмотря на нехватку инженеров среднего звена, еще сохранилась достаточная научная база для развития подобных твердотельных технологий,— говорит Алексей Ковш.— Самое сложное в России — проложить мост между фундаментальными исследованиями и реальным продуктом, который нужен потребителю.
Ученый держит пинцетом тонкую круглую пластинку, в зеркальном блеске которой отражается вся "чистая комната". Это искусственный сапфир, основа большинства современных светодиодов. Его помещают внутрь устройства, где "выращивается" новое вещество.
— Сейчас под воздействием высокой температуры разные газы разлагаются на составные атомы,— говорит физик Владислав Бугров, один из учредителей "Оптогана",— а затем осаждаются слоями на подложку. Через несколько часов мы получаем на выходе новое вещество, которое способно преобразовывать электричество в свет.
Холодный свет
Чтобы превратить фиолетовый цвет светодиода в белый, его покрывают специальным слоем вещества, который добавляет желтый и зеленый цвета спектра
В 1942 году в блокадном Ленинграде от голода умер замечательный ученый Олег Владимирович Лосев. Еще в 1922 году, работая в Нижегородской радиолаборатории, он заметил свечение некоторых точечных кристаллических диодов, которые использовались в радиоприемниках. Это свет шел как бы сам по себе, не нуждаясь ни в нагревании, ни в электрических разрядах, в связи с чем его окрестили "холодным". Открытие "холодного света" стало мировой сенсацией, так как подтвердило выкладки квантовой теории, доказывающей, что при изменении состояния электронов в кристалле могут испускаться фотоны. Именно это открытие легло в основу создания светодиодов в будущем. Правда, для какого-нибудь значимого эффекта нужно было использовать особые вещества, которые не существовали в природе. За развитие подобных структур наш соотечественник, директор Физико-технического института им. Иоффе Жорес Алферов совместно с американскими учеными Гербертом Кремером и Джеком Килби получил Нобелевскую премию.
Картинка на экране компьютера напоминает марсианский пейзаж: увеличение в 28 тысяч раз позволяет увидеть новое вещество на атомном уровне. Робот разрезает слоеную структуру на несколько тысяч чипов размером в полмиллиметра. Пропуская ток, эти почти невидимые чипы испускают яркий фиолетовый свет, который позже с помощью нанесения дополнительного покрытия, станет белым и почти не отличимым от дневного.
— Чтобы понять смысл экономии электроэнергии, нужно представлять, что обычная лампочка накаливания испускает все волны спектра,— объясняет генеральный директор компании "Оптоган" Максим Одноблюдов.— При этом большая часть из них приходится на инфракрасное излучение, то есть, попросту говоря, вся энергия уходит на нагревание и рассеивается. В современных приборах мы оставляем один спектр излучения, что на порядок снижает потребление энергии.
Свойства нового вещества зависят от сотни условий, которые необходимо рассчитать и запрограммировать. Так что производство светодиодных чипов больше напоминает искусство, чем точную науку. Новый рецепт хранится так же строго, как хранилась в Средневековье формула философского камня, способного превращать любое вещество в золото. Оно и понятно: владельца наиболее эффективного продукта ждут небывалые дивиденды. В США, например, государство выделяет более 1 млрд долларов в течение 11 лет на финансирование исследований в области эффективных источников света. Специалисты рассчитали, что, используя светодиоды, через 20 лет Штаты будут экономить 1100 тераватт-часов в год. Для сравнения, этой электроэнергии хватит, чтобы два года освещать небольшую страну типа Швеции. Если бы Россия, тратящая сегодня 300 млрд рублей в год на электроэнергию, могла перевести промышленные предприятия и муниципальные объекты на светодиоды, расходы бы сократились в пять раз.
Наноночь
Для получения сверхъярких лазеров ученые научились выращивать крохотные нанопровода диаметром 140 нм, которые благодаря своей структуре светятся фиолетовым светом
Несмотря на то что в послании к федеральному правительству Дмитрий Медведев назвал энергосбережение в числе первых приоритетов модернизации экономики, до создания соответствующих хай-тек-парков у нас далеко.
— Развитие отечественного инновационного бизнеса сдерживает множество факторов,— считает Виктор Тимошенко, профессор кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ.— Существующие проблемы современной российской производственной базы оставляют мало шансов для действительно инновационных компаний. И это при том что наукоемкие продукты не только могут обеспечить достойный уровень жизни людям, участвующим в их создании и поддержке, но и увеличить престиж и влияние государства.
За границей пришествие светодиодов в светотехнику началось с приборов, где всегда использовался цветной свет,— светофоров, автомобильных стоп-сигналов и дорожных знаков. Объем продаж на этом рынке только в США в прошлом году превысил полмиллиарда долларов, а в этом — удваивается. Светодиодными лампами на Западе оборудованы все операционные, так как именно такой свет при яркой освещенности не нагревает тело пациента, а значит, не повышает свертываемость крови. Именно светодиодной подсветкой украсил Ватикан все крупные храмы, а швейцарские банки заменили обычные энергосберегающие лампочки на полупроводниковые из-за интересной особенности последних — в отличие от любой другой системы освещения через эту невозможно вести прослушивание.
В России массовое применение светодиодов пока экзотика, хотя пару лет назад в Москве был торжественно открыт фонтан "Похищение Европы" — единственное в мире гидротехническое сооружение такого размаха, имеющее светодиодную динамическую подсветку: технологи установили 1050 универсальных светильников в бронзовых влагостойких корпусах. Несколько лет назад в городе Мурманске, лежащем за Полярным кругом, где ночь длится почти полгода, питерские бизнесмены решили заменить обычные лампочки в подъездах на светодиодные. Учитывая, что расходы на электричество на Севере — самая крупная статья расходов, решение выглядело вполне логичным. Но спустя некоторое время светодиодная новинка исчезла — в один день на месте светодиодов появились стандартные "лампочки Ильича". Говорят, сокращение бюджета на электроэнергию показалось кому-то очень невыгодным, что и вполне понятно: окупаемость светодиодных ламп для уличного освещения составляет три-четыре года. Но какой чиновник уверен, что через четыре года он будет все еще у власти? Так что переход к новым технологиям предполагает и какой-то новый поворот в мышлении. Возможно, здесь тоже не обойдется без нанотехнологий.
