Postępy w pracy nad żarówką grafenową

Projekty
30.11.2020

Otrzymaliśmy nowe wieści na temat postępów w projekcie żarówki grafenowej! Specjaliści z Mirca Design przedstawili nam szczegółowe informacje na temat prac koncepcyjnych, polityki materiałowej oraz zaprezentowali wizualizację produktu!

Specyfika projektu

Nowy projekt wzorniczy innowacyjnej żarówki grafenowej, której działanie opiera się na opatentowanej przez Państwową Akademię Nauk we Wrocławiu technologii wzbudzania światła o spektrum widzialnym w wyniku działania wiązki laserowej o długości fali z zakresu podczerwieni (IR) już jest dostępny. W artykule podzielimy się również analizą rynkową i wieloma interesującymi szczegółami na temat projektu. Celem projektu jest stworzenie prototypu żarówki grafenowej w oparciu o autorski wzór przemysłowy. 

Pierwszy etap realizowanego projektu wzorniczego żarówki grafenowej polegał na znalezieniu rozwiązań technicznych, które umożliwią skonstruowanie nowego produktu w opatentowanej, dotychczas nie stosowanej do celów komercyjnych technologii. W projekt zaangażowani byli specjaliści z różnych dziedzin, m.in. inżynierowie specjalizujący się w technice laserowej. Projekt okazał się sporym wyzwaniem, gdyż niemożliwe okazało się użycie dostępnych na rynku  komponentów. Po skonstruowaniu dedykowanego lasera i oszacowaniu wymiarów docelowej żarówki rozpoczęto projektowanie koncepcji. 

Cechami znamiennymi konstrukcji żarówki grafenowej są możliwość pracy bezkontaktowej względem źródła zasilającego energią oraz brak elektrod. Dobór elementów (jak np. laser z zasilaniem akumulatorowym) oraz umieszczenie pastylki grafenowej w zamkniętym ośrodku w gazie obojętnym są wystarczające do uzyskania iluminacji światła białego (światło analogiczne do spektrum światła słonecznego). Takie działanie żarówki wymusza jej konstrukcję mechaniczną, elektryczną i optyczną, jak również budowę całego łańcucha podsystemów ją obsługujących. Jako znamienne należy przyjąć, iż do realizacji źródła oświetlenia światła białego wystarczą jedynie żarówka grafenowa, laser podczerwony i zasilacz lasera. Problemem wzorniczym okazuje się jednak zaproponowanie nowej architektury i konstrukcji produktu, które umożliwią zastosowanie nowego produktu jako typowej żarówki z gwintem, którą można wkręcić do źródła zasilania 230V jak każdą inną żarówkę dostępną na rynku dla wygody konsumentów.

Wracając do głównych elementów przedsięwzięcia, laser jest odpowiedzialny za generowanie energii w żarówce. Zakres pracy lasera określono w przedziale 800 – 1100 nm, co odpowiada zakresowi promieniowania w podczerwieni. Najbardziej optymalny przedział pracy lasera, który powoduje wzbudzenie i emisję światła przez grafen, znajduje się w przedziale 808 – 980 nm, natomiast optymalna moc lasera powinna znajdować się w przedziale 1,0 – 2,0 W. Co ciekawe, grafen mógłby świecić jeszcze bardziej przy naświetlaniu laserem w kilku miejscach (np. w trzech różnych punktach), jednak takie rozwiązanie do prototypu odrzucono ze względu na brak możliwości rozszczepienia pojedynczej wiązki laserowej oraz na zbyt duże trudności techniczne, które wynikałyby z użycia aż trzech laserów do jednej żarówki, co nie jest opłacalne. Kolejnym ważnym elementem jest dioda IR - W prototypie zastosowana zostanie dioda z  lasera o długości fali 980 nm. Nasi eksperci zwracają uwagę na to, jak ważne jest dostosowanie diody do odpowiedniej mocy lasera, aby nie uległa przepaleniu.  Jeżeli chodzi natomiast o soczewkę, to w naszym wynalazku są wykorzystywane dobrej jakości szkła firmy Schott i niezbędne jest zastosowanie podwójnej soczewki ze względu na to, iż takie rozwiązanie pozwoli zmniejszyć długość drogi optycznej.

Niezbędne dla efektywnego działania projektu jest dbanie o elementy zapewniające energię i płynne sterowanie. Zasilacz jest tym elementem lasera, który dostarcza prąd do całego układu. Jego modyfikacja jest niezbędna, ponieważ, jak powiedzieli nam eksperci, standardowo laser pracuje na zasilaniu 12V, natomiast żarówka będzie pobierać prąd z sieci o napięciu 230V. W tym celu najlepiej jest zamontować transformator, który zmieni źródło zasilania zmieniając napięcie z 230V do 12V, czyli do standardowego napięcia lasera. Transformator powinien być dostosowany do mocy lasera (1 - 2W). Koszt tego elementu to zaledwie kilka złotych.  Osłona zewnętrzna - trzon lasera w większych szczegółach opisane są w dalszej części dotyczącej designu.  Nasi eksperci planują wprowadzić trzy rodzaje gwintów (trzonków), co pozwoli zamontować żarówkę w najróżniejszych instalacjach.


Polityka materiałowa

Głównym celem polityki materiałowej jest opis listy materiałów, które są niezbędne do wytworzenia nowego produktu wraz ze wskazaniem listy dostawców oraz kryteriów oceny jakości materiałów i ich zastosowania. Jednakże na czas realizacji projektu wzorniczego trudno ocenić jakie materiały i podzespoły będą używane w docelowej produkcji nowego produktu, jeżeli ta produkcja miałaby się odbywać w większych seriach (wiąże się to ze zmianą technologii i wymaga przygotowania, jak również uzbrojenia maszyn pod produkcję żarówki z grafenem). Przedstawiona polityka materiałowa znajduje zastosowanie przy produkcji pojedynczych sztuk żarówek. Jej specyfikacja wynika z aktualnych możliwości technicznych, dostępnych materiałów, posiadanej wiedzy specjalistycznej, określonego budżetu i czasu na realizację projektu. Przy produkcji żarówek w oparciu o manualny montaż żarówki i w oparciu o sprzęt specjalistyczny (i zakładając, że większy wolumen obniży koszty produkcji), należy spodziewać się kosztu jednostkowego wytwarzania żarówki rzędu ok. 2000 złotych. Taki poziom kosztów znacznie przewyższa koszty znane z produkcji żarówek LED. Na rynku dostępne są żarówki LED wykorzystujące grafen, które dają lekko ciepłe światło (2700K, 800lm) w cenie ok. 30-40 zł. Różnica leży w tym, że są one jedynie udoskonaleniem technologii LED wzbogaconej o grafen, zatem spektrum światła się nie zmienia, w przeciwieństwie do grafenu wzbudzanego promieniowaniem IR, które daje spektrum światła białego. Użycie słowa-klucz "grafen"  w nazwach żarówek LED może powodować, że klienci indywidualni nie będą widzieć różnicy między żarówkami, ani nie będą skorzy, by wydawać tyle pieniędzy. Wynika z tego, że na ten moment jedynym słusznym zastosowaniem dla nowej żarówki grafenowej są cele specjalistyczne. Alternatywą może stać się wykorzystanie tańszych komponentów do konstrukcji lasera (które pozwolą uzyskać dużą moc powyżej 1000 mW) lub zastosowanie innej technologii do wzbudzania grafenu, np. światła LED, jeżeli będzie to możliwe. Pozwoli to obniżyć koszty produkcji żarówki przy zachowaniu jej walorów i właściwości emisyjnych światła białego.

Grafen emituje światło dużo lepiej w ośrodku o niskim ciśnieniu. Dlatego w próżni lub w atmosferze gazu obojętnego obserwujemy kilkuset lub nawet tysiąckrotnie lepszy efekt świecenia. Postać grafenu przypomina pastylkę, która umieszcza się np. na szklanym trzpieniu wychodzącym z wnętrza szklanej kuli wypełnionej gazem obojętnym.  Stosowana polityka materiałowa i gospodarka odpadami powinny być zgodne ze strategią zrównoważonego rozwoju, której istotnym aspektem jest ekologiczność. Na czas realizacji projektu wzorniczego materiały niezbędne do produkcji żarówki grafenowej stanowią dużą barierę cenową dla konsumentów, dlatego produkcja nowego produktu powinna opierać się na indywidualnych i dedykowanych zamówieniach, do czasu rozwinięcia technologii produkcji i poprawy jej efektywności ekonomicznej. 

Główną barierą w realizacji polityki materiałowej jest wysoki koszt produkcji żarówki grafenowej (zgodnie ze stanem wiedzy na czas realizacji projektu wzorniczego). Główny koszt związany jest z ceną samego lasera o mocy powyżej 1 W emitujący skupioną punktowo wiązkę w podczerwieni (powyżej 3000 zł). Kolejnym problemem jest ochrona wzroku przed promieniowaniem podczerwonym, które przedostaje się przez klosz żarówki (szkło absorbujące podczerwień posiada barwę zielono -niebieską, zniekształca barwę światła a specjalistyczne szkło przezroczyste absorbujące podczerwień jest drogie – koszt ok. 2000 zł na żarówkę). Kolejną barierą jest przygotowanie produkcji pod nowy, nietypowy i innowacyjny wzór przemysłowy. W czasie realizacji projektu wzorniczego i opracowania prototypu nie jest możliwe stworzenie ścisłej polityki materiałowej do produkcji żarówki w porozumieniu z zewnętrznymi producentami ze względu na zbyt wczesną fazę rozwoju produktu.

Szkic koncepcyjny

Design żarówki

Pierwsza koncepcja opiera się na futurystycznej wizji asymetrycznego kształtu klosza, który mógłby zostać wpisany w korpus tuby lasera. Wzornictwo jest techniczne, ale i  artystyczne, a co najważniejsze - minimalistyczne, dzięki czemu zapewnia wielofunkcyjność. Zaoblone kształty poprawiają ergonomię wkręcania i wykręcania żarówki. Żarówka grafenowa jest produktem dedykowanym branży specjalistycznej, jest to produkt innowacyjny, wykorzystujący patent technologii IR-grafen, jest wyrazem współpracy nauki, projektantów i biznesu. Powinno ją cechować nowoczesne, ale częściowo zachowawcze wzornictwo. Klosz ma być transparentny, a estetyka przemysłowa, z artystycznym detalem w postaci asymetrycznych "obojczyków". Co uważacie o tym designie?  


Pierwszy prototyp żarówki grafenowej będzie miał długość 28,5 cm oraz szerokość 14 cm. Ze względu na dość duże gabaryty w ramach dalszego rozwoju produktu zaplanowane jest systematyczne zmniejszanie wymiarów. Można to osiągnąć poprzez zastosowanie bardziej kompaktowych elementów w układzie lasera. 

Jak widać po tym wyczerpującym artykule, pracy nad żarówką jest wiele, a nasi specjaliści nie zwalniają tempa! Kolejne informacje o rozwoju projektu już niedługo!

Dołącz do naszej społeczności i śledź nasze media społecznościowe, aby być na bieżąco!

Close