Investigadores del Instituto de Física y Tecnologías de Moscú (MIPT) y del Instituto de Física de Lebedev de la Academia de Ciencias de Rusia han diseñado y probado un prototipo de lámpara catodoluminiscente para su aplicación en iluminación general. La nueva lámpara, que se basa en el fenómeno de la emisión de campo, es más fiable, duradera y luminosa que sus homólogas actuales, señalan los investigadores.
Si bien las lámparas LED se han convertido en la tecnología incumbente en todo lo que tiene que ver con la iluminación general, no son las únicas alternativas de ahorro energético a las bombillas incandescentes. Ya desde la década de los 80´s, los ingenieros de todo el mundo han estado estudiando las llamadas lámparas catodoluminiscentes como una opción muy interesante para la iluminación general.
Como se muestra en la figura 1, una lámpara de este tipo se basa en el mismo principio que alimenta los antiguos televisores de tubos de rayos catódicos: un electrodo cargado negativamente, o cátodo, en un extremo de un tubo vacío que sirve como cañón de electrones. Una diferencia de potencial de hasta 10 kV acelera los electrones emitidos hacia un electrodo plano recubierto de fósforo cargado positivamente, ánodo, en el extremo opuesto del tubo. Este bombardeo de electrones produce luz.
Estas lámparas catodoluminiscentes tienen la ventaja de poder emitir luz casi en cualquier longitud de onda, desde el rojo hasta el ultravioleta, según el material fosfórico que se utilice. Así por ejemplo el desarrollo de nuevas bombillas de luz ultravioleta con esta tecnología sería particularmente oportuno, considerando la reciente prohibición de los aparatos domésticos que usan mercurio en virtud del Convenio de Minamata, un tratado de las Naciones Unidas firmado por 128 países que entró en vigencia en agosto de 2017. “Las lámparas catodoluminiscentes se podrían utilizar en la descontaminación de quirófanos, la irradiación con rayos UV de la garganta y las amígdalas y el llenado dental curación”, señala Mikhail Danilkin, del Instituto de Físicas de Ledebev.
Otra posible venta de esta tecnología con respecto al LED es que no se basa en materias primas críticas. Esto incluye el Galio, Indio y algunos elementos de tierras raras. Si bien su suministro es limitado, estos materiales son esenciales e insustituibles en las industrias de salud, defensa, aeroespacial y otras industrias clave. La Comisión Europea los enumera como estratégicamente importantes para la economía europea.
En los Estados Unidos se hicieron intentos de producir en masa bombillas de luz catodoluminiscentes comerciales, pero los consumidores no adoptaron el dispositivo, principalmente porque era voluminoso y tardaba varios segundos en calentar el cátodo a la temperatura de funcionamiento. Del mismo modo, los televisores antiguos comenzaban a mostrar la imagen después de un breve retraso.
Sin embargo, algunos cátodos no requieren calentamiento. Se les conoce como cátodos de emisión de campo, porque se basan en el fenómeno de la emisión de campo. Se trata de un cátodo frío que emite electrones bajo un campo electrostático. El diseño de un cátodo eficiente, duradero y tecnológicamente avanzado y que puedan producirse en masa ha sido siempre un desafío. A pesar de esfuerzos continuos por parte de Japón y los EE. UU., el reciente estudio ruso parecer marca el primer intento exitoso de desarrollo.
«Nuestro cátodo de emisión de campo está hecho de carbono ordinario», dijo el profesor Evgenii Sheshin, vicepresidente de electrónica de vacío de MIPT, quien dirigió el equipo de investigación. «Pero este carbono no se usa simplemente como un producto químico, sino más bien como una estructura. Encontramos una manera de crear una estructura a partir de fibras de carbono que sea resistente al bombardeo de iones, produciendo una alta corriente de emisión, y que sea asequible en su producción. Esta tecnología es nuestro know-how y nadie más en el mundo la tiene «.
Al someter el carbono a un tratamiento especial, se forman muchas protuberancias submicrométricas (menos de una millonésima parte de un metro) en la punta del cátodo. Esto resulta en un campo eléctrico ultra elevado en la punta, expulsando los electrones hacia el vacío.
El grupo de investigación MIPT también ha desarrollado una fuente de alimentación compacta para su lámpara catodoluminiscente, que suministra suficientes kilovoltios para la emisión de electrones de campo con éxito. La fuente está colocada alrededor de la bombilla de vidrio casi sin efecto en el tamaño total de la bombilla.
Los investigadores han publicado recientemente su desarrollo en la revista científica “Journal of Vacuum Science & Technology B”, donde se muestran pruebas de su prototipo, así como las características técnicas de la lámpara. Según los ingenieros “estos datos sugieren que si se produjera en masa, la nueva bombilla catodoluminiscente podría competir con lámparas más baratas que los LED”. Y concluyen: “a diferencia de la bombilla LED, nuestra lámpara no se ve afectada por las altas temperaturas, pudiendo ser una alternativa interesante para algunas aplicaciones”.
Fuente de imagen de portada: @tsarcyanide/MIPT Press Office
