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Jul 29, 2023

Cómo las luces LED cambiarán el mundo a medida que desaparezcan las bombillas incandescentes

Archivado en: La heredera de la bombilla incandescente apenas comienza. Después de reinar durante más de un siglo, la otrora poderosa bombilla incandescente se vio obligada a renunciar a su trono.

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La heredera de la bombilla incandescente acaba de empezar.

Después de reinar durante más de un siglo, la otrora poderosa bombilla incandescente se vio obligada a renunciar a su trono a principios de este mes.

El golpe, que tardó más de 16 años en gestarse, tuvo lugar el 1 de agosto, cuando la administración Biden finalmente implementó una norma largamente demorada en virtud de la Ley de Seguridad e Independencia Energética de 2007. La norma prohíbe efectivamente la venta de la mayoría (pero no todos) los tipos de bombillas incandescentes, el clásico diseño en forma de globo de aire caliente que ha iluminado gran parte del planeta desde los días de Thomas Edison.

El nuevo monarca es el diodo emisor de luz o LED, y está preparado para tener un reinado duradero. Durante la última década, científicos, ingenieros, diseñadores y formuladores de políticas prepararon el LED para gobernar, obligándolo a hacer todo lo que un incandescente podría hacer, pero con una fracción de la energía. Una bombilla LED proporciona la misma cantidad de luz que una incandescente, utiliza un 90 por ciento menos de electricidad y dura 25 veces más. El Premio Nobel de Física de 2014 fue para los científicos que inventaron el LED azul.

"Esta es absolutamente una revolución al nivel de Edison en la tecnología de iluminación", dijo Morgan Pattison, presidente de Solid State Lighting Services y asesor del programa de investigación de iluminación del Departamento de Energía de EE. UU.

Más allá de imitar a su predecesora, la tecnología LED aporta un conjunto completamente nuevo de capacidades y podría permitirnos repensar toda nuestra relación con la luz. Los LED son inherentemente regulables. Pueden integrarse directamente en las superficies, convirtiendo paredes y techos en fuentes de luz. Su consumo de energía también puede disminuir aún más.

Pero una de las características más importantes del LED es su capacidad de sintonización, tanto en luz como en color. Optimizar la sombra y el alcance de la luz en lugar de una iluminación general podría mejorar la seguridad, la productividad, la comodidad y la salud. Apenas estamos comenzando a captar las posibilidades.

"La iluminación LED ha superado nuestra comprensión de cómo utilizar la iluminación en general", dijo Pattison. "En lugar de simplemente bombardear un lugar con luz, podemos ser más precisos en la entrega de luz".

Este mayor control sobre la iluminación puede terminar siendo el mayor impacto práctico de los LED. No sólo proporcionan más luz de mayor calidad y con un menor coste energético, sino que también pueden ayudar a restaurar el crepúsculo y la oscuridad perdidos en nuestro mundo sobreiluminado.

¿Por qué fue tan difícil cambiar una bombilla? La lámpara incandescente tenía un par de ventajas importantes: era simple y barata. Funciona haciendo pasar una corriente eléctrica a través de un filamento en una bombilla de vacío, lo que hace que el filamento se caliente y brille.

El LED, inventado por Nick Holonyak Jr. en 1962, es un poco más complicado. Se enciende cuando una corriente eléctrica pasa a través de un diodo semiconductor. Un diodo es esencialmente una válvula de retención o un carril unidireccional para una corriente eléctrica. Un diodo emisor de luz utiliza un material semiconductor especializado que emite luz a medida que los electrones fluyen a través de él.

Estos materiales especializados elevaron el costo de los primeros LED y limitaron su rendimiento en comparación con las incandescentes. Los LED tampoco producen luz blanca por sí solos. Un LED blanco requiere mezclar varios colores de LED diferentes o necesita un material llamado fósforo que absorbe la luz en una longitud de onda y la emite en otra. Los LED a menudo necesitan un controlador, un dispositivo que convierte la corriente alterna de alto voltaje de un tomacorriente de pared en corriente continua a un voltaje más bajo y más utilizable.

Sin embargo, debido a que los LED producen luz sin producir mucho calor, tienen una ventaja inherente sobre las incandescentes. Sólo alrededor del 10 por ciento de la electricidad utilizada en las bombillas incandescentes se convierte en luz. El resto se desperdicia en forma de calor.

A lo largo de las décadas, los ingenieros redujeron la brecha de costo y rendimiento entre las dos lámparas, y los LED han reducido el consumo de energía dondequiera que se hayan utilizado para reemplazar las luces convencionales. En 2005, un edificio comercial gastaría alrededor del 40 por ciento de su electricidad en iluminación. "Ahora ha bajado entre un 6 y un 8 por ciento", dijo Mark Lien, presidente de Augmented Illumination y consultor de la Illuminating Engineering Society.

En la industria de la iluminación, las métricas clave son la eficiencia y la eficacia (aunque estos términos a menudo se combinan). La eficiencia de la iluminación es la cantidad de luz emitida por un dispositivo como parte de la cantidad total de luz de una bombilla u otra fuente de luz, generalmente expresada como porcentaje. La eficacia luminosa es la cantidad de luz de una fuente producida por una determinada cantidad de electricidad. Generalmente se mide en lúmenes por vatio.

Las bombillas incandescentes suelen emitir alrededor de 17 lúmenes por vatio. Y debido a que generalmente proyectan solo un tono de luz, las incandescentes están encendidas a máxima potencia o completamente apagadas, a menos que tengan un dispositivo de atenuación especializado o dispositivos electrónicos adicionales. Esto significa que la luz a menudo se desperdicia y sigue siendo inadecuada para la tarea en cuestión.

Por otro lado, los LED que se encuentran actualmente en el mercado pueden producir alrededor de 70 lúmenes por vatio. Los LED de alto rendimiento pueden alcanzar los 170 lúmenes por vatio, y el Departamento de Energía dijo en 2017 que "se puede lograr un objetivo de más de 200 lúmenes por vatio". Junto con su espectro de colores más amplio y sus capacidades de atenuación, los LED constituyen una opción de iluminación mucho más versátil que los filamentos calientes en frascos de vidrio.

Sin embargo, desde una perspectiva empresarial, nuevas mejoras empiezan a producir rendimientos decrecientes. "Podríamos alcanzar más de 400 lúmenes por vatio", dijo Lien. "Pero ahora el mercado ha aceptado niveles de precio y rendimiento". Pasar de una bombilla incandescente de 60 vatios a una LED de 10 vatios es una enorme mejora práctica, pero pasar de una bombilla LED de 10 vatios a una de 5 vatios puede no ser suficiente para justificar los costos adicionales para los compradores, ni la investigación y la investigación adicionales. desarrollo de los fabricantes.

Sin embargo, Lien sostiene que estas mejoras menores todavía son necesarias porque la demanda general de electricidad está creciendo y la ventana para limitar el cambio climático se está cerrando. A medida que se cargan más vehículos eléctricos y los electrodomésticos cambian de gas a electricidad, reducir la demanda de energía en otros lugares es una parte clave para equilibrar la red eléctrica. Y dada la ubicuidad de las luces, pequeñas mejoras pueden generar enormes ahorros de energía.

Según las Naciones Unidas, la iluminación representa el 15 por ciento del consumo mundial de energía y el 5 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero, mientras que la Asociación Internacional de Energía señala que los LED representan actualmente la mitad de las ventas mundiales de iluminación residencial. Si no hay un cambio mayor hacia una iluminación más eficiente, la ONU estima que el uso global de electricidad para iluminación aumentará en un 60 por ciento para 2030.

Los LED también pueden ganar terreno en otros aspectos. Las luces pueden seguir reduciendo su tamaño y cambiar a materiales más reciclables o biodegradables. En aplicaciones como televisores y monitores de computadora, la tecnología LED simplemente está mejorando, y los LED que alimentan muchas pantallas pronto podrían dar paso a los LED de puntos cuánticos. Estas partículas de escala nanométrica integradas en una película delgada prometen mejores colores, contraste y ángulos de visión, al tiempo que reducen el consumo de energía.

Hay otras tecnologías además de los LED que también podrían ganar terreno en los próximos años, pero o no son tan versátiles o se encuentran todavía en sus primeras fases de desarrollo. La iluminación con diodos láser, por ejemplo, utiliza un diodo para producir un haz de luz coherente. Puede manejar mayor potencia que los LED convencionales y podría proporcionar iluminación a largas distancias en aplicaciones como faros de automóviles o iluminación de campos deportivos, aunque los costos siguen siendo altos.

Por lo tanto, es probable que los LED duren décadas, pero en formas que aún tenemos que imaginar. "No serán los LED que estamos viendo hoy", dijo Lien. “Evolucionarán hasta convertirse en un estado mucho más pequeño, tal vez ni siquiera reconocible como las fuentes que tenemos ahora. Podrás tejerlos en telas, podrás integrarlos en películas delgadas”. Así, en lugar de utilizar las luces como aparatos discretos, la iluminación podría convertirse en una parte integral de las paredes, los techos, las aceras y la ropa.

La transición de energía de incandescentes a LED podría tener beneficios más allá de las luminarias y las pantallas de visualización. Un siglo de iluminación en rápida expansión ha añadido más horas al día, con enormes beneficios para la productividad y el desarrollo humano, pero ha convertido la oscuridad en un bien preciado. La contaminación lumínica está aumentando, con consecuencias para nuestros cuerpos que los científicos recién ahora están empezando a comprender. En este caso, los LED también podrían resultar valiosos.

El cuerpo tiene dos vías distintas que procesan la luz, explicó en una entrevista George Brainard, director del programa de investigación de la luz de la Universidad Thomas Jefferson. Uno es el sistema visual que procesa conscientemente la iluminación y el color del entorno. Gran parte de la iluminación del mundo moderno está orientada a maximizar la luz disponible para nuestra visión consciente, pero eso podría tener consecuencias no deseadas.

"Algo de lo que somos menos conscientes es el hecho de que la luz que ingresa al ojo estimula una vía diferente que regula la biología, el comportamiento y, en última instancia, la salud", dijo Brainard. "Más específicamente, la luz impulsa la regulación circadiana, la regulación hormonal y las respuestas neuronales del comportamiento".

Debido a que esta vía está por debajo de nuestra percepción consciente, es difícil para las personas evaluar cómo la luz cambia su ciclo de sueño-vigilia, su estado de ánimo y su salud en general. Pero los efectos podrían ser profundos. Ya existe evidencia de que la exposición a la luz azul de teléfonos, tabletas y televisores por la noche puede dificultar conciliar el sueño y permanecer dormido. El uso más amplio de luz artificial en interiores y exteriores podría tener un impacto aún mayor.

Los astronautas a bordo de la Estación Espacial Internacional podrían proporcionar un caso de estudio útil: es difícil imaginar personas más desconectadas de la iluminación natural que aquellas que ven un amanecer cada 90 minutos. Muchos astronautas han tenido que usar medicamentos para ayudarles a dormir, pero las agencias espaciales están preocupadas por los efectos a largo plazo de estos medicamentos a medida que las estadías han aumentado de semanas a meses.

Brainard está trabajando con la NASA para estudiar los efectos del cambio de luces fluorescentes siempre encendidas a LED ajustables en gran parte de la estación espacial. "De hecho, ha mejorado el entorno visual de los astronautas, que era uno de los dos objetivos, y estamos en el proceso de estudiar sus efectos sobre el sueño y el estado de alerta y otras respuestas biológicas", dijo Brainard.

Para el resto de nosotros en el terreno, puede haber lecciones aplicables para niños en edad escolar, trabajadores por turnos o pacientes con largas estadías en el hospital, personas que a menudo tienen que despertarse y ver luces fuera de los ciclos típicos de día y noche. Y cada vez hay más investigaciones que demuestran que la exposición a algunos tipos de luz artificial puede contribuir a problemas como la obesidad, los trastornos del sueño, la ansiedad y la presión arterial alta. Mientras tanto, la iluminación ya se utiliza como terapia para el trastorno afectivo estacional y la depresión.

Pero se necesitarán años para medir el beneficio que obtendremos al cambiar a LED y ajustar la iluminación en el mundo real para una amplia población. "Serán décadas de datos que se sacudirán", dijo Brainard.

Entonces, ¿cómo podemos implementar LED de forma más inteligente ahora?

Una forma es pensar en conseguir luces más acordes con los ciclos de iluminación natural. "Se trata simplemente de alinear los estilos de vida con lo que ya sabemos", dijo Mark Rea, profesor del Centro de Investigación sobre Luz y Salud de la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai. "Si pudiera simplificarlo demasiado, se reduce a días brillantes, tardes oscuras y noches oscuras".

También ayuda pensar menos en la iluminación en términos de cuánto cae sobre las paredes y escritorios y más en términos de cuánto está en nuestra visión. "La cantidad de luz que llega al ojo es lo más importante", dijo Rea. Optimizar y calibrar la iluminación en función de lo que llega a los ojos en lugar de inundar una habitación podría ayudar a reducir la cantidad total de luz necesaria y hacerla más efectiva. Los LED son regulables, por lo que, con el dispositivo adecuado, ofrecen la oportunidad de crear un "entorno de microiluminación" donde un trabajador, estudiante o paciente puede ajustar el nivel de iluminación al que sea más óptimo para ellos.

En exteriores, los LED podrían atenuarse e iluminarse cuando alguien camina o conduce en lugar de bañar cada calle con un brillo omnipresente. También podrían cambiar su temperatura de color de blanco frío durante el día a ámbar por la noche. Frenar la contaminación lumínica exterior también mejorará la salud.

El futuro de la iluminación, entonces, no es sólo un impulso hacia obtener la mayor cantidad de luz con la menor cantidad de energía, sino más bien obtener la cantidad correcta de brillo y oscuridad, en el color correcto, en el momento correcto. Es un futuro en el que todavía podemos ahorrar electricidad y mejorar nuestra calidad de vida, ayudándonos a todos a hacer más cosas durante el día y dormir mejor por la noche.

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