“Niech stanie się światłość", czyli od ogniska w jaskini do żarówek LED

Ludzkość od początku swojego istnienia poświęciła wiele energii - dosłownie - na walkę z mrokiem. Od oliwy i trzcin po LEDy, historia naszej technologii to w znacznym stopniu historia tego, jak nauczyliśmy się pokonać ciemność.

Już co najmniej od 120 tysięcy lat ludzkość potrafi posługiwać się ogniem. Nie wiemy dokładnie, gdzie i kiedy po raz pierwszy człowiek “zaprzyjaźnił się" z płomieniami, ale pewne jest, że już starożytni artyści, którzy tworzyli malowidła z Cro Magnon musieli mieć już dobrze opanowaną trudną sztukę oświetlenia. W jaskiniach Lascaux, gdzie malowidła powstawały 15 tys. lat temu, znaleziono pozostałości około 100 lamp zasilanych zwierzęcymi olejami. Co więcej, część z malowideł jest stworzona specyficzną techniką, która sprawiała, że przy tańczących płomieniach mogły wydawać się poruszać - były prototypami dzisiejszych animacji. Oetzi, człowiek sprzed 5 tys. lat, którego zamrożone zwłoki odnaleziono w górach Tyrolu Południowego, miał przy sobie zestaw do rozpalania ognia: krzemienie, piryt do krzesania iskier i suche, sproszkowane grzyby na podpałkę.

Pierwszym paliwem używanym do oświetlenia było zapewne drewno. Wiersze Homera sprzed 3000 lat wspominają o żywicznych pochodniach sosnowych: smoła żywiczna jest bardzo łatwopalna, a jej spalanie daje wiele światła. Ale już w 4500 lat temu w Ur, starożytnym mieście w południowej Mezopotamii, do oświetlania pomieszczeń używano lamp zasilanych powszechną w dzisiejszym Iraku ropą.

A jak radzić sobie, gdy nie ma ropy? Biblijne lampy były zasilane nie olejem mineralnym, a specjalnymi olejami wytwarzanymi z oliwek i nasion. Gaje oliwne rozprzestrzeniły się w całym basenie Morza Śródziemnego już 3 tys. lat temu, a pół tysiąca lat wcześniej w Babilonie i Asyrii do produkcji paliwa do lamp wykorzystywano sezam. W lampie umieszczano knot - albo w charakterystycznej szyjce, albo pozwalając mu swobodnie pływać w naczyniu - najczęściej wykonany z sitowia lub skręconego płótna. Ceramiczne, metalowe i kamienne lampy były powszechne w całym starożytnym świecie i dawały dość światła, by pozwalać wykonywać wszelkie domowe czynności po zmroku. Nawet czytać, choć trzeba przyznać że była to rozrywka w świecie starożytnym dość rzadka. Olejowe lampy służyły nawet do oświetlania całych ulic - jeden z najstarszych systemów lamp ulicznych istniał w Antiochii już w IV wieku p.n.e choć prawdopodobnie inne miasta własnym oświetleniem dysponowały dużo wcześniej.

Tam, gdzie nie było dostatecznej ilości roślin oleistych, radzono sobie inaczej. Rzymianie, zwłaszcza w północnych prowincjach imperium, zaczęli wytapiać smołę i maczać w niej kije - stworzyli pierwsze pochodnie, które jednak, wbrew kinowym wyobrażeniom - raczej rzadko stosowano do oświetlania pomieszczeń. Produkowały takie ilości dymu, że rozświetlający efekt byłby bez wentylacji raczej mizerny. Były za to niezwykle praktyczne w podróży. Rzymianie byli także jednymi z pierwszych, którzy zaczęli produkować świece - początkowo produkowane z łoju, czyli wytopionego i oczyszczonego tłuszczu zwierzęcego.

To właśnie tłuszcze zwierzęce stanowiły podstawę oświetlenia północnej Europy, która dostęp do oliwy miała zdecydowanie bardziej ograniczony.

Świece łojowe były stosunkowo łatwo dostępne - w końcu hodowla zwierząt, z których tłuszczu je produkowano była podstawowym zajęciem znacznej części społeczeństwa - miały jednak wiele wad. Przede wszystkim trudno było wyprodukować je w dużych ilościach: proces ich produkcji wymagał dużej ilości tłuszczu, a liczba ubijanych zwierząt zawsze była z konieczności ograniczona. Palenie ich miało także poważne skutki uboczne: produkowały dość nieprzyjemny zapach spalanego tłuszczu, produkowały też wiele dymu i sadzy.

Najubożsi korzystali więc z prostszego oświetlenia: trzcinowych lampek, tworzonych przez zwijanie wysuszonego miękiszu sitowia w tłuszczu. Działały krótko - 40 cm knot wystarczał na około pół godziny, ale były bardzo tanie, a co za tym idzie powszechne.

Klasy wyższe miały jednak dostęp do bardziej luksusowego źródła światła. Kościoły i pałace również były oświetlane świecami, ale to były świece zupełnie innej klasy. W przeciwieństwie do śmierdzących i dymiących świec łojowych, kler i szlachta mogli sobie pozwolić na luksusowe świece woskowe, które dawały wiele światła i paliły się długo. Trzeba było za nie jednak drogo płacić. W XIV wieku były jednak stosunkowo powszechne tam, gdzie pieniądze nie stanowiły problemu. W niektórych regionach Kościół wymagał wręcz, by świątynie były oświetlane właśnie takimi świecami - bo tylko dzięki temu malowidła zdobiące ich wnętrza nie pokrywały się grubą warstwą sadzy. To jeden z głównych powodów, dla których pszczelarstwo stało się powszechnym zajęciem europejskich zakonników.

Północna Europa do rozświetlania ciemności stosowała także inne rodzaje zwierzęcych olejów, zwłaszcza rybnych, a później także pochodzących z upolowanych wielorybów. Jednym z głównych przyczyn, dla których te wielkie ssaki zostały niemal wytrzebione, była właśnie potrzeba oświetlania europejskich domów i miast.

Choć ta potrzeba miała też - nomen omen - ciemną stronę. Budowane głównie z drewna średniowieczne miasta były ekstremalnie łatwopalne, świece czy olejowe lampy stanowiły więc stałe, poważne zagrożenie pożarowe. Dlatego w średniowieczu domowe lampy musiały być przygaszane po określonej godzinie. Używano w tym celu ceramicznych nakładek, którymi przykrywano źródło światła. Nakładki miały otwory wentylacyjne, dzięki czemu ogień mógł nadal tlić się, choć w o wiele bezpieczniejszej postaci, i mógł być ponownie rozpalony przy pomocy miechów następnego dnia.

Kolejna wielka zmiana nadeszła dopiero u progu rewolucji przemysłowej. Choć ropa była źródłem światła od czasów starożytnych, dopiero na przełomie XVIII i XIX wieku stała się naprawdę praktycznym - i jasnym - sposobem oświetlania pomieszczeń.

W 1780 r. Aime Argand opracował lampę, która dawała tyle światła, co osiem świec, a była przy tym praktyczniejsza i bezpieczniejsza od nich. Lampa Arganda składała się z wydrążonego, okrągłego knota, szklanego “komina" stabilizującego płomień i zapewniającego lepszy dopływ powietrza oraz zbiornika oleju - roślinnego bądź wielorybiego.

Lampy te były jasne, skuteczne - ale drogie. Były o wiele bardziej skomplikowane od dotychczasowych rozwiązań, korzystali z nich więc głównie przedstawiciele rodzącej się klasy średniej. Problematyczne było to, że zbiornik oleju musiał znajdować się ponad palnikiem, by cięzkie oleje roślinne spływały do knota. Zbiornik, zazwyczaj umieszczony nieco obok palnika i połączony z nim przewodem rzucał cień, sprawiał też, że lampy mogły być nieco chybotliwe. Problem musiały rozwiązywać masywne podstawy, zapewniające całemu urządzeniu stabilność. Bardziej złożone konstrukcje wykorzystywały mechanizmy zegarowe czy sprężyny do tłoczenia oleju spod palnika.

Lampy Arganda były jednak najważniejszym źródłem domowego oświetlenia aż do połowy XIX w., kiedy zostały wyparte przez lampy naftowe. W 1846 r. Abraham Pineo Gesner wynalazł proces, za pomocą którego węgiel, a później ropę, można było przetwarzać w lekkie, praktyczne paliwo - naftę. W kilka lat później Ignacy Łukasiewicz, wynalazca i farmaceuta ze Lwowa, wynalazł najpowszechniejszą formę lampy naftowej, która na wiele dziesięcioleci stała się najważniejszym źródłem światła. Zwłaszcza na wsi i w mniejszych miasteczkach, gdzie wyparła je dopiero żarówka.

Zanim jednak zapaliła się pierwsza elektryczna żarówka, w wielkich miastach Europy i Ameryki Północnej noc zmieniła się w dzień. Wszystko dzięki gazowi węglowemu - złożonemu węglowodorowy wytwarzanemu przez destylację węgla. Centralne, miejskie gazownie pompowały gaz do złożonej sieci rur, które zasilały uliczne latarnie, ale też teatry, kościoły, sklepy, biura i niektóre domy.

Podstawy tego pierwszego centralnego systemu masowego oświetlania miast stworzył William Murdoch. Chemik już w 1792 r. eksperymentował z praktycznymi sposobami destylacji i transportu pozyskiwanego z węgla gazu. W 1812 r. przedsiębiorca Frederick Winsor założył London and Westminster Chartered Gaslight and Coke Company, pierwszą na świecie firmę gazową, która oświetliła stolicę Wielkiej Brytanii. Do lat 20. XIX wieku ponad 40 000 lamp gazowych paliło się wzdłuż 215 mil londyńskich ulic. Gazowe oświetlenie zrewolucjonizowało przemysł, pozwalając fabrykom pracować niemal całą dobę. Ale zmieniły też życie towarzyskie. Powieściopisarz Robert Louis Stevenson napisał, że dzięki oświetleniu gazowemu "nastała nowa era dla towarzyskich poszukiwań przyjemności. Mieszkańcy miasta mieli własne, udomowione gwiazdy". Jeden z XIX-wiecznych magazynów dla kobiet zalecał, by imprezy zawsze odbywały się przy świetle gazowym... jeśli na zewnątrz jest światło dzienne, należy zamknąć okiennice i zaciągnąć zasłony". Co ciekawe, w Londynie wciąż jest 1500 lamp gazowych, a British Gas zatrudnia pięciu inżynierów do ich konserwacji.

W kolejnych latach gazownie powstawały w Baltimore, Freiburgu, a do 1860 r. oświetlonych gazem miast były już setki: w samych Stanach Zjednoczonych działało równolegle 400 firm gazowych. Niemcy miały ich 266, a Wielka Brytania - najpotężniejsze imperium gospodarcze XIX w. - ponad 900.

Zaletą oświetlenia gazowego to, że było bardzo tanie. W połowie XIX w. koszty oświetlania ulic czy budynków gazem były czterokrotnie niższe od kosztów oświetlania ich olejem czy świecami. W 1882 r. Carl Auer von Welsbach z Uniwersytetu Wiedeńskiego wynalazł specjalny płaszcz nasączony torem i cerem, który zwiększał światło gazowej lampy dziesięciokrotnie.

Gaz nie był jednak pozbawiony wad. Jeśli w spalanym gazie pojawiały się zanieczyszczenia, lampy wydzielały nieprzyjemny zapach i sadzę. Wywoływał bóle głowy, podgrzewał pomieszczenia i zabijał rośliny domowe. I wybuchał. W 1865 r. eksplozja w gazowni Nine Elms w londyńskim Battersea zabiła dziewięć osób, a oparzenia odnieśli nawet mieszkańcy okolicznych ulic. Pierwsze uliczne światła do kierowania ruchem, zainstalowane w latach 60. XIX w. na londyńskim Westminster Bridge, eksplodowały i raniły obsługującego je policjanta.

Nawet lampa van Welsbacha szybko musiała więc uznać wyższość nowego wynalazku, który był jaśniejszy, wygodniejszy i bezpieczniejszy od nawet najnowocześniejszej lampy gazowej.

Już od początku XIX w. naukowcy wiedzieli, że światło można wytwarzać za pomocą łuku elektrycznego między dwoma węglowymi prętami. Gdy w 1831 r. Michael Faraday wynalazł praktyczny sposób generowania dużych ilości elektryczności przez indukcję elektromagnetyczną, nadeszła era pierwszych, elektrycznych świateł. Już w 1860 r. niezwykle jasne łukowe lampy zasilane prądnicą były stosowane w latarniach morskich w Anglii i Francji.

W 1879 r. nowoczesne lampy łukowe wynalazcy Charlesa Brusha oświetliły plac w Cleveland. W przeciągu dwóch lat jego lampy pojawiły się w Nowym Jorku, San Francisco, Bostonie i Montrealu. Bardzo jasne lampy łukowe dobrze nadawały się do oświetlania ulic czy teatrów - ale były zdecydowanie zbyt jasne, by stosować je w domach czy biurach.

Wynalazek, który ostatecznie skończył erę gazu (i dobił lampy naftowe czy świece) pojawił się w 1840 r., choć wielką popularność zdobył dopiero cztery dekady później. To żarówka. Pierwsza lampa oparta na żarzącej się platynie pojawiła się w 1840 r. Ale nie była jeszcze szczególnie udana. Dopiero połączenie żarnika z próżnią przyniosło zaskakująco dobre rezultaty. W 1879 r. Edison zbudował pierwszą lampę, w której żarnik znajdował się w próżni doskonalszej, niż kiedykolwiek. Już w 1881 r. Edison sprzedał 150 kompletnych zestawów oświetleniowych składających się z generatora, kabli, gniazd i samych lamp. W dwa lata od dopracowania wynalazku, paliło się już 30 tys. żarówek.

Edison nie był jedynym, który wpadł na ten pomysł: Brytyjski wynalazca Joseph Swan oświetlił żarówkami pałąc Craigside House już w 1878 r., a w rok później żarówki zapaliły się na Mosley Street w Newcastle. Obaj wynalazcy byli gotowi do wielkiej, sądowej batalii o prawa do wynalazku, ale ostatecznie połączyli siły, a ich Swan and Edison Company na niemal 70 lat stała się czołowym producentem żarówek.

Kolejne stulecie stało pod znakiem żarówki. Neony (które zaczęły pojawiać się w drugiej dekadzie XX w.), lampy sodowe czy halogeny znalazły niszowe zastosowania, ale nie zagroziły pozycji prostej, szklanej kulki.

Początkowo nie zagrażała jej też technologia LED - pierwsze świecące diody pojawiły się we wczesnych latach 60. XX wieku, ale początkowo potrafiły jedynie emitować ciemnoczerwone światło. Służyły więc do podświetlania przełączników czy do tworzenia prostych wyświetlaczy, nie nadawały się jednak do oświetlenia czegokolwiek.

Wszystko zmieniło się jednak w latach 90. Shuji Nakamura w 1994 r. zademonstrował pierwsze, jasne diody LED produkujące wysokoenergetyczne, niebieskie światło. A to pozwoliło wreszcie pomyśleć o zastosowaniu diod do prawdziwego oświetlenia: mieszając światło niebieskie z czerwonym i zielonym inżynierom udało się stworzyć pierwsze białe LEDy. Rewolucja przyszła błyskawicznie: dziś rynek diodowych żarówek jest wart niemal 80 mld dolarów, a sam Nakamura w 2014 r. otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki.

Źródło sukcesu LEDów jest proste: wszystkie tradycyjne źródła oświetlenia światło produkują w zasadzie przypadkiem. Ich głównym produktem jest ciepło, o czym przekonał się każdy, kto kiedykolwiek próbował wykręcić dopiero co zgaszoną tradycyjną żarówkę. LEDy przetwarzają na światło niemal całą otrzymaną przez siebie energię (część jest tracona bo muszą być sterowane obwodami scalonymi), ale ich efektywność jest nieporównywalnie większa od tradycyjnych, żarowych świateł. A jako, że na oświetlenie naszych domów i miast idzie 12 proc. całej energii elektrycznej produkowanej przez ludzkość, potencjalne oszczędności są ogromne.

Choć są tacy, którzy tęsknią nawet nie za żarówkami, ale za jeszcze bardziej wiekowymi sposobami oświetlania wnętrz. Romantyczna kolacja przy LEDach to jednak nie to samo.