Šviesa – sklandiems kasdienio gyvenimo procesams svarbus reiškinys. Jos trūkumas ar pokyčiai gali lemti žmonių, gyvūnų ir augalų biologinius procesus, o modernus šviesos pritaikymas glaudžiai susijęs ir su gyvybe kosmose. Šiandien dėl mokslininkų įdirbio ir išradimų specialiais šviestukais sugeneruoti spinduliai pasitelkiami augalams auginti ar net informacijai perduoti. Apie puslaidininkinių šviesos diodų – šviestukų pritaikymo sritis ir išskirtinumą pasakoja Vilniaus universiteto (VU) Fizikos fakulteto Fotonikos ir nanotechnologijų instituto mokslininkas dr. Pranciškus Vitta.

Puslaidininkiniai šviesos diodai tampa vis populiaresni

Dr. P. Vittos teigimu, puslaidininkiniai šviesos diodai per pastaruosius 20 metų įsiveržė beveik į visas taikymo sritis, kur reikalinga nekoherentinė – ne lazerinė šviesa.

„Šiandien šviestukai yra naudojami monitoriuose ir ekranuose, taikomi bendrajam apšvietimui, taip pat aptinkami ir pramonėje: fotocheminio apdorojimo, augalų apšvietimo ir kitose srityse“, – vardija mokslininkas.

Vis mažėjanti šviestukų kaina padidino jų populiarumą, tad šiandien jie tapo prieinami kasdien naudoti.

„Prieš 15 metų apšvietimas puslaidininkiniais šviesos diodais buvo daug brangesnis nei tuo metu rinkoje buvusios alternatyvos. Šiandien, atsižvelgiant į bendrą šviesos kainą ir įvertinant ne tik įsigijimo išlaidas, bet ir eksploatacines sąnaudas, šių diodų šviesa nėra brangi, tad jau daugiau nei pusė Vilniaus gatvių yra apšviestos šviestukais, o visas gatves planuojama apšviesti iki 2022 m.“, – pasakoja dr. P. Vitta.

Liuminescencijos tyrimo eksperimento schemos koregavimas. P. Barono nuotr.

Apšvietimo technologijos pritaikytos žmogui

Į žmogų orientuotos apšvietimo technologijos (angl. Human Centric Lighting) grindžiamos holistiniu požiūriu į dirbtinį apšvietimą. Anot dr. P. Vittos, šiuo apšvietimu siekiama, kad prietaisai ne tik užtikrintų vizualinius poreikius – šviesą skaitymui, darbui, bet ir būtų atsižvelgiama į žmogaus biologinius ritmus: „Siekiama, kad pirmoje dienos dalyje toks apšvietimas kompensuotų natūralios šviesos trūkumą, o vakare priešingai – ribotų perteklinį stimuliavimą šviesa.“

Šviesos biologinis poveikis žmogaus organizmui priklauso nuo šviesos spektro, šviesos kiekio, patenkančio į akis, ir šviesos krypties. Būtent mėlynos spalvos šviesa žmogaus cirkadinius ritmus veikia stipriausiai.

„Yra žinoma, kad šviesa, į akį patenkanti iš apačios (žemiau horizonto), mažiau veikia cirkadinius ritmus. Todėl vakare rekomenduojama naudoti žemai sumontuotus, žemos spalvinės temperatūros (gelsvus) šviesos šaltinius“, – sako mokslininkas.

Nepaisant to, kad šviesos cirkadinis poveikis gyvūnams nėra labai detaliai ištirtas, daromos prielaidos, kad jis yra panašus į poveikį žmogui: „Gyvoji gamta evoliuciškai išsivystė taip, kad naktį yra tamsu arba matyti Mėnulis, dieną šviečia Saulė, o nekontroliuojama šviesos tarša yra žalinga ir iškraipo šią pusiausvyrą. Dėl to kenčia laukinė gamta, sutrinka paukščių migracijos maršrutai, net vandenyje gyvenantys organizmai keičia savo elgesį. Į žmogų orientuotas apšvietimas vadovaujasi moto: Tinkama šviesa tinkamoje vietoje tinkamu metu.“

Fotochemiškai aktyvių medžiagų tyrimai kontroliuojamų spektrinių parametrų šviesos šaltiniu (prototipu). P. Barono nuotr.

Šviestukai padeda koreguoti augalų savybes

Šviestukų taikymas augalams apšviesti yra reikšmingas dėl kelių priežasčių. „Pirmiausia, augalai užima labai svarbią vietą žmogaus mitybos grandinėje, todėl sunkiai įsivaizduojame žmonių egzistenciją be augalų. Šviesa augalams yra būtina  ir fotosintezei vykdyti, todėl be jos augimas yra neįmanomas“, – teigia dr. P. Vitta.

Puslaidininkiniai šviestukai leidžia auginti augalus kontroliuojamomis sąlygomis: paskatinti anksčiau pražysti, pagaminti daugiau naudingų medžiagų ir pakoreguoti kitus augalo parametrus. Galima daryti įtaką ir augalui reikalingam vandens kiekiui.

„Tyrimais buvo nustatyta, kad įprastiniu būdu auginant pomidorus pietų Europoje, Italijoje ar Ispanijoje, vienam kilogramui vaisių užauginti reikia daugiau nei 50 litrų vandens. Jei tie patys pomidorai auginami šiltnamiuose Olandijoje, hidroponinėse, optimizuotose sistemose, pakanka jau 5 litrų vandens. Jei šie pomidorai auginami visiškai nuo saulės izoliuotose, šviestukais apšviečiamose sistemose, pakanka vos 1,2 litro vandens. Tokie pasiekimai yra svarbūs ne tik Žemėje, kur gėlo vandens ištekliai senka, tačiau ir kosminiuose taikymuose Tarptautinėje kosminėje stotyje bei ateities projektuose Mėnulyje ir Marse“, – pasakoja mokslininkas.

Į baktericidinio šviesos poveikio kosmose taikymą dr. P. Vittos mokslinė grupė gilinasi bendradarbiaudama su VU Gyvybės mokslų centru: „Šiuo metu baigiame vykdyti vieną Europos kosmoso agentūros finansuojamą projektą ir esame pateikę paraišką naujam. Dabartiniame projekte domėjomės, kaip šviesa ir natūraliomis pagalbinėmis priemonėmis (fotosensibiliazatoriais) galima kontroliuoti pavienių bakterijų ir jų formuojamų bioplėvelių paplitimą tiek žemės, tiek kosmoso sąlygomis. Naujasis projektas yra nukreiptas į  bedirvožemines augalų auginimo sistemas ir augalų patogenų (bakterijų, pelėsių) kontrolę šviesa ir natūraliomis fotoaktyviomis medžiagomis.“

Šioje srityje pasiekti rezultatai galėtų būti sėkmingai pritaikomi ne tik ateities kosminėse misijose, bet ir moderniuose augalų auginimo ūkiuose Žemėje.

Komunikacija pasitelkiant šviesą

Informacijos perdavimas šviesa yra dar viena dr. P. Vittos mokslinių tyrimų tema. Jis pateikia paprasčiausią ir mūsų visų kasdien naudojamą šviesos komunikacijos metodą: „Iš tikrųjų vieną labai populiarų šviesos komunikacijos metodą naudojame turbūt kiekvienuose namuose per daug apie jį negalvodami – tai televizoriaus nuotolinio valdymo pultelis, veikiantis duomenų perdavimo infraraudonaisiais spinduliais principu.“

Šiandien stengiamasi ieškoti galimybių, kaip duomenis perduoti šviesa erdvėje. Nepaisant to, kad tiek šviesos komunikacija, tiek Wifi, Bluetooth, 4G, 5G ir kitų radijo bangų komunikacija vykdoma elektromagnetinėmis bangomis, skirtingas jų dažnis lemia esminius skirtumus.

„Radijo bangos lengviau ar sunkiau, bet sklinda per nemetalinius kūnus, sienas, langus ir kitas medžiagas. Signalas gali būti perduodamas dideliais atstumais net nesant tiesioginio matomumo. Tai svarbi savybė, leidžianti žiūrėti antžeminę televiziją ar kalbėti mobiliuoju telefonu, naudotis belaidžiu internetu. Tačiau didėjant vartotojų skaičiui, kyla bendras elektromagnetinių bangų (MHz-GHz) triukšmo lygis, kuris apsunkina prietaisų veikimą ir patikimumą. Šiandien vis svarbesnis tampa duomenų apsaugos klausimas. Šiuo atveju radijo bangomis perduodama informacija niekada negali būti laikoma absoliučiai saugia“, – pasakoja mokslininkas.

Tuo tarpu šviesos komunikacija pasižymi visai kitomis savybėmis: jos sklidimo nuotolis yra labai ribotas ir nėra techninių galimybių klausytis informacijos iš didesnio atstumo: „Vienas iš pavyzdžių – JAV kariškių kuriama itin saugi optinio ryšio technologija, pritaikyta jūrų laivynui, kur duomenų perdavimas po vandeniu būtų natūraliai apribotas atstumo ir nepasiekiamas potencialiam priešui.“

VU mokslininkai dalyvauja tarptautiniame Europos Komisijos finansuojamame COST projekte „Ateities kartos optinio belaidžio ryšio technologijos europinis tinklas“ (NEWFOCUS, CA19111). Projekto interesų sritis yra labai plati: nuo duomenų perdavimo itin trumpais atstumais iki komunikacijos su dirbtiniais Žemės palydovais. VU mokslininkai ketina prisidėti panaudodami žinias ir patirtį, sukauptas tiriant puslaidininkinius šviestukus bei jutiklius ir kuriant technologijas.

„Mūsų partneriai šiame projekte plėtoja optinio ryšio taikymus biomedicinoje, kai reikia perduoti informaciją protezams ar davikliams, esantiems žmogaus kūne. Vienu iš hipotetinių pavyzdžių gali būti modernaus širdies stimuliatoriaus programos atnaujinimas. Paliekant atvirą sąsają radijo ryšiui kyla tikimybė, kad toks stimuliatorius bus jautrus išoriniam radijo triukšmui arba net bandymui į jį „įsilaužti“, – teigia mokslininkas. Jeigu tokios programos perrašymas vyktų optiniu būdu, jis būtų akivaizdžiai saugesnis ir mažiau jautrus išoriniams trukdžiams.

„Šviesos komunikacija atveria naujas galimybes prietaisams valdyti biomedicinos ir kitose srityse, sukuria daug saugesnę duomenų valdymo aplinką ir gali būti puikia alternatyva radijo ryšio priemonėms gynybos pramonėje. Ateityje optinių ryšio technologijų vis daugės ir jos užims svarbią vietą mūsų gyvenime“, – įsitikinęs dr. P. Vitta.