Lâmpada catodoluminescente: Uma nova revolução na iluminação?

Redação do Site Inovação Tecnológica

Protótipos das lâmpadas catodoluminescentes com um conversor de voltagem incorporado com um difusor (a) e sem ele (b). A potência luminosa é de até 250 lumens, que é aproximadamente a saída de uma lâmpada incandescente de 25 watts, mas o consumo de energia é de apenas 5,5 watts.
[Imagem: MIPT]

Lâmpada alternativa aos LEDs

Engenheiros russos apresentaram um protótipo de lâmpada catodoluminescente para iluminação geral.

A nova lâmpada, que se baseia no fenômeno de emissão de campo, é mais confiável, mais durável e mais luminosa do que todos os protótipos anteriores - há equipes trabalhando nesses projetos há décadas.

As lâmpadas de LED se tornaram comuns rapidamente, mas elas não são a única alternativa limpa e econômica para as lâmpadas fluorescentes - e seu mercúrio - e para as lâmpadas incandescentes - e seu alto consumo de eletricidade. Desde a década de 1980, engenheiros de todo o mundo têm trabalhado nas lâmpadas catodoluminescentes como outra opção para fins de iluminação geral.

Uma lâmpada deste tipo baseia-se no mesmo princípio que alimentou as antigas TVs de tubos de raios catódicos: um eletrodo carregado negativamente, ou catodo, em uma extremidade de um tubo de vácuo, funciona como um canhão de elétrons. Uma diferença de potencial de até 10 kilovolts acelera os elétrons emitidos em direção a um eletrodo revestido de fósforo carregado positivamente - o anodo - na extremidade oposta do tubo. Este bombardeamento de elétrons resulta em luz.

As lâmpadas catodoluminescentes têm a vantagem de poder emitir luz em quase qualquer comprimento de onda, do vermelho ao ultravioleta, dependendo de qual material fluorescente é usado. Lâmpadas catodoluminescentes ultravioletas, por exemplo, não contêm mercúrio, o que seria um desenvolvimento particularmente oportuno considerando a recente proibição de eletrodomésticos usando mercúrio sob a Convenção de Minamata, um tratado das Nações Unidas assinado por 128 países.

Outra vantagem importante da nova lâmpada em relação aos LEDs e lâmpadas fluorescentes é que ela não depende das chamadas matérias-primas críticas, incluindo gálio, o índio e alguns elementos de terras raras.

Lâmpada catodoluminescente: unidade moduladora do catodo (1), catodo (2), modulador (3), elétrons emitidos (4), fósforo (5), espelho de alumínio como anodo (6), saída anódica (7), tubo de vácuo de vidro (8).
[Imagem: Evgenii Sheshin et al. - 10.1116/1.5070108]

Lâmpada catodoluminescente

Já foram feitas tentativas de produção de lâmpadas catodoluminescentes em escala industrial nos Estados Unidos, mas os consumidores não gostaram principalmente porque as lâmpadas eram volumosas e demoravam vários segundos para aquecer o catodo até a temperatura de operação e começar a brilhar - era por isso que os televisores antigos demoravam para começar a mostrar as imagens.

Mas alguns catodos não necessitam de aquecimento. Eles são conhecidos como catodos de emissão de campo, porque dependem do fenômeno de emissão de campo, que envolve elétrons emitidos a partir de um catodo frio sob ação apenas de um campo eletrostático, graças ao fenômeno quântico do tunelamento.

O protótipo russo apresentado agora marca a primeira tentativa bem-sucedida de projetar um catodo desse tipo que é eficiente, com vida útil longa, que pode ser produzido em massa e vendido a um preço acessível.

"Nosso catodo de emissão de campo é feito de carbono comum," conta o professor Evgenii Sheshin, do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou. "Mas esse carbono não é usado apenas como um produto químico, mas também como uma estrutura. Descobrimos uma maneira de moldar uma estrutura a partir de fibras de carbono que é resistente ao bombardeio de íons, produz uma corrente de alta emissão e é tecnologicamente adequada à produção [industrial]. Esta tecnologia é know-how nosso, ninguém mais no mundo tem."

Submetendo o carbono a um tratamento especial, são criadas inúmeras protuberâncias submicrométricas - com menos de um milionésimo de metro - na ponta do catodo. Isso resulta em um campo elétrico muito alto, expulsando os elétrons da extremidade rumo ao vácuo.

A equipe também desenvolveu uma fonte de energia compacta para sua lâmpada catodoluminescente, que fornece os milhares de volts suficientes para uma emissão de elétrons de campo bem-sucedida. A fonte é montada em torno da lâmpada de vidro, com um impacto mínimo em seu tamanho.

Este eletrodo de carbono é a grande inovação da equipe, podendo viabilizar as lâmpadas catodoluminescentes.
[Imagem: Evgenii P. Sheshin/MIPT]

Trocar as lâmpadas de LED

A equipe calcula que, se for produzida em massa, a lâmpada catodoluminescente poderia competir com as lâmpadas baratas baseadas em diodos emissores de luz (LEDs). A nova lâmpada também ajudaria a eliminar as lâmpadas fluorescentes, que contêm mercúrio e que ainda são usadas em áreas domésticas em todo o mundo.

"Ao contrário da lâmpada LED, nossa lâmpada não tem medo de temperaturas elevadas. Você pode usá-la onde os diodos esmaecem rapidamente, como em holofotes de teto, onde não se obtém um resfriamento adequado," disse Dmitry Ozol, membro da equipe.

Agora é esperar que a equipe consiga convencer a indústria a apostar em sua inovação para que comecemos novamente a trocar as lâmpadas de nossas casas.

Bibliografia:

Artigo: Prototype of cathodoluminescent lamp for general lighting using carbon fiber field emission cathode
Autores: Evgenii P. Sheshin, Artem Yu. Kolodyazhnyj, Nikolai N. Chadaev, Alexandr O. Getman, Mikhail I. Danilkin, Dmitry I. Ozol
Revista: Journal of Vacuum Science & Technology B
Vol.: 37, 031213
DOI: 10.1116/1.5070108