Zo werd de ledlamp het licht voor de toekomst

Vijf jaar geleden, op 7 oktober 2014, ontvingen de Japanse natuurkundigen Isamu Akasaki en Hiroshi Amano samen met de Amerikaanse Japanner Shuji Nakamura de Nobelprijs Fysica voor een mijlpaal die dit jaar zijn 25ste verjaardag viert: de ledlamp. Terecht, vindt energiespecialist Geert Deconinck. ‘Hun ontdekking was revolutionair. Als we systematisch overstappen van gloeilampen naar led zullen we veel energie besparen.’

De ledlamp is een van de symbolen en manifestaties in ons dagelijkse leven van de nieuwe technologieën van een nieuw millennium. Maar haar voorgeschiedenis gaat verder terug in de tijd. Véél verder. Tot voor de Eerste Wereldoorlog zelfs. Haar eerste geestelijke vader is de Brit Henry Joseph Round. Bizar, op het eerste gezicht, want hij is een expert op een heel ander vlak dan de optica. 

Round is een radiopionier en persoonlijke assistent van Guglielmo Marconi. In dienst van de Marconi’s Wireless Telegraph Company doet hij onder meer experimenten met kristaldetectoren, een cruciaal ontvangstonderdeel in de eerste radio’s. Hij is bijgevolg niet gefocust op licht maar op op het overdragen van geluid. Maar in 1907 stuit hij bij een van zijn proefnemingen op een neveneffect. Blijkt dat het contactpunt van zo’n kristalontvanger in bepaalde omstandigheden ook licht afgeeft. 

Round heeft er niet bijster veel belangstelling voor en doet zijn ontdekking af in twee paragraafjes. Een eerste blijvend gevolg is wel dat de ledlamp haar naam ontleent aan de radiotechnologie. De  functie van een kristaldetector is die van eenrichtingsgeleider. Een diode, zoals dat in het vakjargon heet. En Round is bij zijn experiment uitgekomen bij een diode die licht ‘uitzendt’. Een ‘light-emitting diode’in het Engels. Afgekort: led.

Op de volgende cruciale stap is het nog twintig jaar wachten. De Russische wetenschapper en uitvinder Oleg Losev onderzoekt als eerste het lichteffect. Hij probeert theoretisch te verklaren hoe het werkt en denkt na over mogelijke praktische toepassingen. Die zijn sowieso pas aan de orde vanaf het begin van de jaren 60 en dat dankzij de Amerikanen James R. Biard, Gary Pittman en Nick Holonyak Jr. Biard en Pittman werken voor Texas Instruments en ontwikkelen infrarood ledlicht. Holonyak, werknemer van General Electric, komt ongeveer gelijktijdig met een gelijkaardige ontdekking. Alleen spreek je dan nog over bijzonder dure componenten en staan we heel ver af van een commerciële doorbraak. De rode, groene en gele led volgen daarna.

Enter: Shuji Nakamura. In 1993 leidt deze Japanse natuurkundige, dan 39 jaar oud, de onderzoeksafdeling van de Nichia Corporation in Tokushim, de stad waar hij ook studeerde. Hij ontwikkelt er de eerste blauwlicht-leds. Op dat ogenblik komt dat zo’n beetje neer op het vinden van de heilige graal in Ledland. ‘Led is heel lang beperkt geweest tot signalisatie-doeleinden’, zegt professor Geert Deconinck, gewoon hoogleraar aan de faculteit Ingenieurswetenschappen van de KU Leuven, en onderzoeksleider binnen van EnergyVille, een onderzoekscentrum voor duurzame energie en intelligente energiesystemen. ‘Je kon er wel rood, geel en groen mee produceren, maar bij gebrek aan blauw was het niet mogelijk om wit licht te verkrijgen, waardoor de toepassing dus nog niet geschikt was voor algemene verlichting. Bedoeling van de meeste lichtbronnen thuis is immers om daglicht na te bootsen.’

Nakamura gaat daarna samenwerken met zijn landgenoten Isamu Akasaki en Hiroshi Amano, beiden actief op de universiteit van Nagoya. Samen ontwikkelen ze een blauwe indium-galliumnitride led en uiteindelijk ook een witte led. Intussen is Nakamura in 1999 verhuisd naar de Verenigde Staten, wordt hij Amerikaans staatsburger en geeft hij les aan de universiteit van Californië in Santa Barbara. Hun baanbrekend werk levert hem en Akasaki en Amano in 2014 de Nobelprijs op ‘voor de uitvinding van efficiënte blauw-licht diodes die energiebesparende witte verlichting mogelijk maken.’

‘Hun ontdekkingen waren best wel revolutionair, ja’, bevestigt professor Deconinck. ‘Als we systematisch overstappen van gloeilampen naar led zullen we veel energie besparen. Kijk, klassieke verlichting kan je opdelen in twee categorieën. Thermische stralingslampen, zoals halogeen- of gloeilampen, en gasontladingslampen, zoals spaarlampen of lampen die bijvoorbeeld in sportstadions worden gebruikt. Daarvoor is veel elektrisch vermogen nodig. Leds voegen daar een derde categorie aan toe. Een efficiënte halogeenlamp produceert 20 à 25 lumen licht per watt elektrisch vermogen, een led-lamp 60 lumen per watt. Led straalt dan ook nog eens veel efficiënter, waardoor minder licht in de lamparmatuur verloren gaat. Je drukt op een knop en het licht brandt. Bij een tl-lamp duurt het even voor de lamp op volle kracht brandt. Bovendien is het vrij koud licht en werkt het op laagspanning, dus is het veiliger.’

Deconinck ziet ook heel wat toepassingen mogelijk. Een voorbeeld. ‘De huidige straatverlichting functioneert goed, maar als we die zouden vervangen door led zouden we de lichtkwaliteit kunnen verbeteren. We zouden bijvoorbeeld beter de kleuren van auto’s kunnen onderscheiden. Met de huidige oranje straatverlichting met natriumgasontladingslampen is het moeilijk om bruin, rood of zwart van elkaar te onderscheiden. Led zou ons een veiliger gevoel geven, het zou ook handig zijn voor veiligheidsdiensten om auto’s makkelijker te kunnen herkennen. Bovendien is het ook aangenamer licht.’

Shuji Nakamura had zich nooit kunnen voorstellen dat zijn werk zo’n impact zou hebben, laat staan dat hij er ooit de Nobelprijs voor zou krijgen. ‘Toen ik met mijn onderzoek begon, bestonden er alleen maar rode leds’, zegt hij daarover in 2018 in een interview met ecologiejournalist Michael Holden van BusinessGreen. ‘Geen gele of blauwe dus, of eventueel groene. Daar wilde ik absoluut verandering in brengen omdat je — dat hebben we vroeger allemaal geleerd in de tekenles op school, nietwaar? — drie primaire kleuren nodig hebt om elke kleur licht te kunnen samenstellen. Dat was het enige waar ik naar streefde. Nooit gedacht dat mijn werk zo’n enorm toepassingsgebied zou doen ontstaan.’

En toch. Een miljardenindustrie, zelfs. Is Nakamura er zelf rijk van geworden? ‘Neenee’, glimlacht hij fijntjes. Oké, toen zijn werkgever, de Nichia Corporation, begon met de massaproductie van blauwe leds werd zijn loon wel verdubbeld, maar: ‘Ik verdiende niet gigantisch veel, zo ging dat toen in de Japanse bedrijfscultuur.’

Het is veel erger dan dat. Volgens geruchten, die in de Wall Street Journal worden overgenomen, zou Nichia hem op de kop 160 euro hebben betaald voor zijn uitvinding. Buitenlandse onderzoekers en uitvinders geven hem zelfs de bijnaam ‘Slaaf Nakamura’. De slaaf keert zich echter tegen zijn meester en stapt naar de rechtbank, waar hij een schadevergoeding van 160 miljoeneuro vraagt, een miljoenvoud van het oorspronkelijke bedrag dat hij van Nichia heeft ontvangen. Volgens het vredegerecht van Tokio heeft Nakamura zelfs recht op een bedrag van... 499 miljoen euro, ongeveer de helft van de winst die het bedrijf heeft gemaakt dankzij Nakamura’s baanbrekend werk.

Nichia gaat in beroep, waarna de rechtszaak jaren aansleept. Uiteindelijk komen beide partijen tot een minnelijke schikking, die Nakamura een kleine 7 miljoen euro zal opleveren. Hij wuift het zelf weg als niet meer dan een nevenaspect. Het is in elk geval niet waar hij met de meeste trots en tevredenheid op terugkijkt, benadrukt hij.

Want het fundamentele aspect van zijn werk is iets helemaal anders, stelt Nakamura: klimaatvriendelijkheid. ‘Klimaatopwarming bestrijden is uitermate belangrijk. Verlichting zorgt momenteel voor zo’n kwart van alle elektrisch verbruik, maar door led-verlichting te gebruiken kan je dit in de toekomst laten dalen tot zo’n zes à acht procent. Om de klimaatopwarming te stoppen zullen we onze energieconsumptie moeten reduceren. Led is de eenvoudigste manier om dat te realiseren.’

De verminderde ecologische voetafdruk is ook een argument waarop professor Deconinck de nadruk legt. ‘Je hebt meer energie nodig om ledlampen te produceren dan voor gewone lampen, net zoals je meer energie gebruikt bij het maken van zonnepanelen. Maar eens in gebruik zijn ze energie-efficiënter, hebben ze een langere levensduur en zijn ze veiliger. Om een tl-lamp te maken, heb je kwik nodig. Gloeilampen geven meer warmte dan licht. Een ledlamp gaat drie tot vier keer langer mee dan een tl-lamp: 30 à 40.000 uur in plaats van 10.000. Ze gaat zelfs vijftien keer langer mee dan een gloeilamp, die na 2.000 uur moet vervangen worden. Klassieke lampen blijven branden tot ze kapot gaan. Ledlampen geven langzaam minder licht. In feite gaan ze zelfs 100.000 uur mee, maar omdat we ervan uitgaan dat ze minstens 70 procent van hun initiële waarde moeten behouden, gaan we uit van die 30.000 uur.’

Waarom we dan nog niet met zijn allen op led zijn overgeschakeld? Geert Deconinck: ‘De levensduur van een klassieke spaarlamp bedraagt ongeveer 10.000 uur. Als je weet dat we ongeveer duizend uur per jaar licht nodig hebben, betekent dit dat zo’n lamp ongeveer tien jaar meegaat. Dat is vrij lang en verklaart meteen waarom de vervanging door ledlampen nog vrij traag gaat.’

Nog één keer Shuji Nakamura hierover. ‘We kunnen een geweldige impact hebben op het reduceren van koolstofemissies. Het Amerikaanse ministerie van Energie heeft berekend dat we door het vervangen van conventionele verlichting tegen 2020 het energieverbruik over de hele wereld kunnen beperken met het equivalent van zestig kerncentrales. Als we de penetratiegraad van leds kunnen verhogen tot 30 of 40 procent, zou dat een enorme impact hebben.’

Led it be!