Tecnología de alumbrado: es hora de cambiar la bombilla

La bombilla incandescente se está eliminando gradualmente, pero ¿qué la va a sustituir? ¿Cuáles son las nuevas tecnologías que compiten por nuestros casquillos?
Stefano Tonzani

La Centennial Light (Fig. 2), que cuelga en el parque de bomberos de Livermore, California, es la bombilla más antigua del mundo que sigue en funcionamiento. La lamparilla de cuatro vatios se encendió en 1901 y ha estado alumbrando casi sin descanso desde entonces, consumiendo en total aproximadamente 3.500 kilovatios hora de energía. En la actualidad, la bombilla resulta sorprendentemente familiar: la tecnología de las lámparas incandescentes ha cambiado muy poco en todo este tiempo.

[ Figura 2. La Centennial Light: en funcionamiento desde hace 108 años. D. Jones ]

Dentro de la bombilla hay un filamento ­–carbono en este caso, tungsteno en los modelos actuales– que se calienta al pasar la electricidad hasta que se pone incandescente e ilumina la estancia. El diseño es sencillo, versátil y barato, tal y como era cuando Thomas Edison lo convirtió en un éxito comercial hacia 1880.

Sin embargo, esa tecnología está a punto de desaparecer. En nuestro mundo actual, hambriento de energía, las bombillas resultan poco económicas: casi un 98% de la energía que entra se transforma en calor en lugar de luz. Las lámparas halógenas, con su aspecto de avanzada tecnología, tampoco son mucho mejores. Si multiplicamos ese derroche por el número de bombillas incandescentes en establecimientos residenciales, industriales y comerciales –unos 4.000 millones de casquillos estándar sólo en Estados Unidos–, resulta obvio por qué muchos países pretenden eliminar completamente estas bombillas para controlar las emisiones de dióxido de carbono. Australia, por ejemplo, se convirtió en 2007 en el primer país que prohibía totalmente las bombillas incandescentes: una transición que debería culminar en 2012. Los estados miembros de la Unión Europea acordaron una prohibición similar en 2008 y Estados Unidos se ha comprometido a eliminar la mayoría de las bombillas incandescentes antes de 2014.

“El campo de la iluminación es bastante conservador, así que, afortunadamente, los gobiernos están presionando para que se evolucione”, declaró Karl Leo, especialista en optoelectrónica y fundador de Novaled, un empresa alemana con sede en Dresde que desarrolla diodos orgánicos emisores de luz (OLED).

Pero evolucionar ¿hacia qué? Aunque deshacerse de las bombillas incandescentes pueda tener sentido desde el punto de vista económico y medioambiental, la carrera para encontrar un sustituto a largo plazo está completamente abierta.

Actualmente, la única tecnología suficientemente madura para ocupar el puesto de la bombilla convencional es la iluminación fluorescente, que puede transformar en luz entre un 10 y un 15% de la energía recibida. La tecnología fluorescente ha mejorado significativamente desde los tiempos en que era sinónimo de colores discordantes y extraños, y ha terminado por dominar el ámbito industrial y comercial, donde eficiencia y duración son factores primordiales. En los últimos años las bombillas fluorescentes compactas que pueden colocarse en los casquillos estándar han seguido introduciéndose en los hogares.

Pero la iluminación fluorescente tiene una serie de desventajas. Por ejemplo, las lámparas fluorescentes no funcionan bien con bajas temperaturas y su vida útil se reduce significativamente si se encienden y apagan con frecuencia. Quizá lo peor de todo sea que cada lámpara contiene una pequeña cantidad de mercurio, que es tóxico. Esto plantea a los consumidores un problema de eliminación de residuos al final de la vida útil de la lámpara.

Algunas personas se quejan todavía de la luz que dan los fluorescentes, de cómo se ven los objetos en comparación con su aspecto a la luz natural. A pesar de los importantes avances, los usuarios suelen preferir para sus casas los tonos más cálidos y ligeramente rojizos de las luces incandescentes, aunque esa preferencia es muy personal, afirmó Charles Hunt, ingeniero eléctrico de la Universidad de California en Davis. “El gusto subjetivo por un tono determinado de luz depende del sexo (las mujeres suelen preferir luces menos duras y de colores más cálidos) y el origen de la persona (la gente de los países del norte de Europa prefieren luces más cálidas, mientras que los del sur prefieren luces más frescas de tonos azulados)”. Otro problema es que las luces fluorescentes requieren unos circuitos especiales para que funcionen con un regulador de luminosidad. Esta regulación es aconsejable: “El 50% de las luces de los hogares de Estados Unidos se pueden regular”, aseguró Hunt.

Estos problemas quizá puedan solucionarse, pero parecen lo suficientemente serios para que los innovadores busquen nuevas tecnologías que puedan sustituirla.

Gran inversión
Quizá la tecnología más esperada de las que compiten por ocupar el centro de la escena es el diodo emisor de luz (LED), formado por dos tipos de semiconductores en contacto. Cuando se aplica tensión, las cargas positivas que proceden de un lado fluyen hacia el punto de encuentro y chocan con las cargas negativas que vienen del otro lado. Al combinarse, estas cargas liberan su energía en forma de luz, normalmente con un color concreto.

Los LED tienen una larga duración, gran resistencia y son casi el doble de eficientes que los fluorescentes. En efecto, ya se usan en ordenadores, televisores y otros electrodomésticos y son cada vez más utilizados para aplicaciones en exteriores tales como semáforos e intermitentes de los coches. “Los LED tienen tantas ventajas que creemos que en ellos está el futuro de la iluminación”, declaró Hans van Sprang, científico jefe de los laboratorios de investigación de Philips en Eindhoven, Países Bajos. Philips y otras grandes empresas del sector están invirtiendo grandes sumas en tecnología, financian la investigación en ciencias de materiales que ha ayudado al rápido desarrollo de la tecnología de los LED.

A pesar de todo, los LED no se han adoptado aún a gran escala para las aplicaciones de iluminación general. Uno de los problemas es que la luz de los LED de suficiente potencia para iluminar una habitación tiene un gran coste inicial en comparación con una bombilla incandescente similar. Esto puede suponer una gran barrera psicológica para los consumidores, aunque el coste de la energía y el mantenimiento sea bastante inferior. Otro problema es que la vida útil de un LED se reduce drásticamente si funciona a altas temperaturas. Esto nos plantea el problema de la disipación del calor, especialmente en lámparas potentes, y dificulta la reducción de costes. La fabricación de los semiconductores de los LED con sustratos diferentes del zafiro sería más barata y las alternativas, como sustratos a base de silicio, podrían mejorar la gestión del calor.

[ Figura 3. Los diodos emisores de luz, como éstos de Craigieburn, Australia, pueden combinarse creando enormes paneles. J. Gollings/Arcaid/Corbis ]

Otro reto que se plantea es cómo crear luz blanca con los LED. La técnica preferida para los dispositivos actualmente en el mercado es cubrir un LED azul o ultravioleta con un material fosforescente que absorbe las emisiones monocromáticas y reemitir después la energía como luz blanca de amplio espectro. Otra forma, posiblemente más eficiente, de generar luz blanca es mezclar la luz de los LED rojos, azules y verdes. Sin embargo, estos dos métodos plantean problemas de rendimiento cromático. Este último método tiene el problema añadido de que la vida útil de los tres tipos de LED no es la misma, por lo que la luz cambiará de color a medida que pasa el tiempo. Se gana por una parte y se pierde por la otra: los dispositivos que tienen muy buen rendimiento cromático suelen tener una mala eficiencia energética.

Sandra Rosenthal, química de la Vanderbilt University en Nashville, Tennessee, está desarrollando una posible solución. Su idea es utilizar un LED emisor de luz ultravioleta para excitar los electrones de los nanocristales de seleniuro de cadmio que responden reemitiendo una luz blanca con un rendimiento cromático excelente. “Podría ser una alternativa viable si logramos mejorar considerablemente su eficiencia”, comentó Rosenthal.

Se están investigando los compuestos orgánicos que ya se han considerado como posible alternativa al silicio en células solares para usarlos en los LED. Los OLED producen luz de forma muy parecida a los LED, pero en ellos las cargas positivas y negativas se originan en compuestos orgánicos en lugar de en semiconductores cristalinos. Normalmente estos compuestos orgánicos están unidos a una lámina de polímero fija. La ventaja de los materiales orgánicos es que, al menos en teoría, pueden producirse de una forma comparativamente barata con la misma tecnología de rodillos que se usa para fabricar otros tipos de películas de plástico.

El principal problema con los OLED es que el agua y el oxígeno degradan los materiales orgánicos, con lo cual la vida útil de los dispositivos es corta. Esto puede solucionarse hasta cierto punto encerrando los compuestos orgánicos en un polímero transparente inerte, como una resina epoxi. Pero de todos modos los compuestos se degradan intrínsecamente, especialmente los OLED azules, que hay que mezclar con los de color rojo y verde para generar luz blanca.

Los intrusos
Más allá de la corriente dominante –en el sentido de que las tecnologías las están desarrollando pequeñas empresas recién creadas– están las lámparas de inducción y catodoluminiscencia.

Las lámparas de inducción, también llamadas lámparas sin electrodos, llevan inventadas desde finales del siglo xix, cuando Nikola Tesla inventó una luz fluorescente alimentada por corrientes que oscilaban en una bobina de hilos situada fuera del tubo en lugar de con los electrodos en el interior. Algunos creen que estas lámparas ya están listas para el salto al gran público. Los dispositivos más modernos presentan una bombilla sin electrodos que está llena de gas argón, además de una pequeña cantidad de sales metálicas de un haluro. Un generador de microondas, muy parecido a los de los hornos, produce una onda que se canaliza a través de una guía y se concentra en el contenedor, donde se ioniza el gas que forma un plasma y vaporiza las sales. El plasma y el vapor generan una luz blanca de amplio espectro con una eficiencia similar a la de los LED. Por otra parte, los dispositivos son muy brillantes, lo que significa que pueden encontrar aplicaciones iniciales donde se necesite una luz intensa, como en los faros de los coches o en el alumbrado industrial.

“Los LED van a tardar mucho tiempo en alcanzar la intensidad lumínica que se consigue con las lámparas de inducción”, aseguró Robin Devonshire, científico jefe de Ceravision, una empresa británica con sede en Milton Keynes que está desarrollando esta tecnología. Como en estas lámparas los electrodos no entran en contacto con el entorno duro del plasma, teóricamente pueden durar décadas.

La catodoluminiscencia funciona como los tubos de rayos catódicos de los viejos televisores. Utiliza una fuente de electrones para bombardear el material fosforescente que recubre el interior de un tubo de cristal haciendo que el material emita luz. Se utiliza un campo eléctrico, la alta temperatura o el efecto fotoeléctrico para que la superficie metálica emita electrones. Esta fuente de luz puede ser bastante eficiente, comparable a las fuentes fluorescentes compactas. El rendimiento cromático es bueno y las lámparas pueden moldearse con la forma de las bombillas incandescentes. Las aplicaciones iniciales serán de uso doméstico.

No obstante, tanto las lámparas de inducción como la catodoluminiscencia tienen un problema de imagen. “Hay cierto escepticismo en el sector respecto a estas tecnologías que no son de estado sólido”, afirmó Bruce Pelton, director de ingeniería del California Lighting Technology Center de la Universidad de California en Davis. Esto se debe en parte a que se piensa que los dispositivos de estado sólido como los LED –que generan la luz a través de procesos en materiales sólidos sin partes móviles ni bombillas que se puedan romper–, tienen grandes ventajas a largo plazo en cuanto a resistencia y vida útil. Pero también se debe a que una primitiva lámpara de inducción basada en azufre no consiguió hacerse un hueco en el mercado. La lámpara de azufre era eficiente y brillante, pero era grande y había que refrigerar el aire para que las partes no se fundieran por las altas temperaturas que alcanzaba el plasma de azufre.

La competición echa chispas
La pugna para sustituir las bombillas incandescentes va a ser dura. Pero estas tecnologías rivales no tienen ni mucho menos garantizada la aceptación del consumidor. Uno de los problemas es la confusión generada por todas las alternativas. Otro es que estos dispositivos tienen distintas piezas, de forma que la duración y eficiencia energética que se da para la tecnología básica no coincide con la de todo el dispositivo que, de momento, no es mucho mayor que la de las bombillas incandescentes. En las lámparas LED, por ejemplo, la electrónica o el fósforo pueden degradarse mucho antes que el propio dispositivo de estado sólido. Los datos del Departamento de Energía de los Estados Unidos publicados en 2008 indicaban que los LED disponibles en el mercado eran la mitad de eficientes que las luces fluorescentes compactas. Y aunque desde entonces se han hecho grandes avances, sigue habiendo problemas.

Mientras tanto, dado que la aceptación generalizada de estas tecnologías es crucial para cambiar los hábitos de los consumidores –y en última instancia para ahorrar grandes cantidades de energía– los gobiernos prefieren evitar los errores cometidos con otras tecnologías, como las primeras lámparas fluorescentes que muchos usuarios aborrecían. Si el público tiene una mala opinión de una tecnología desde el principio, su evolución posterior puede quedar sentenciada: un buen motivo para no hacer obligatoria una tecnología antes de que esté lista y se haya probado en el mercado. Los comentarios en sitios web que mencionan el abandono progresivo de las luces incandescentes han mostrado que la opinión del público sobre las luces fluorescentes no ha cambiado mucho en todos estos años. El coste, el rendimiento cromático, el parpadeo y la presencia de mercurio son sólo algunos de los problemas mencionados. Las luces fluorescentes siguen teniendo un pequeño porcentaje del mercado en comparación con las lámparas de mayor energía.

Por todos estos motivos, la bombilla incandescente de uso general podría no reemplazarse por una única fuente, sino por una serie de tecnologías adecuadas a distintos usos. Por ejemplo, si se logra producir iluminación de OLED económicamente en láminas continuas mediante técnicas de rodillos, será la candidata natural para los paneles planos que generan un brillo difuso para iluminación ambiental. De esta forma, los OLED se convertirían en el complemento natural de la luz direccional brillante que procede de LED semiconductores que podrían utilizarse mejor para tareas en las que se necesita una luz intensa, como la lectura. Esas combinaciones nos llevarían a nuevos conceptos en el diseño de la iluminación de forma que los arquitectos podrían ayudar a ahorrar energía al no derrochar la luz donde no se necesita.