Miljö och Fysik. Mikael Syväjärvi. Linköpings universitet. Datum

Transkript

1 Miljö och Fysik Datum Mikael Syväjärvi Linköpings universitet 1

2 Innehåll 1. INLEDNING 4 2. GLOBAL UPPVÄRMNING Klimatanpassning av världen Sveriges miljömål Effekter av global uppvärmning Allmänhetens förståelse för klimatsituationen Error! Bookmark not defined Växthusgaser Industriella utsläpp av koldioxid Kollagring och kvävegödsling Andra nyttjandeaspekter på koldioxidutsläpp och skog NATURLIG OCH FÖRSTÄRKT VÄXTHUSEFFEKT Strålning Atmosfären Strålningsbalans Metan en starkare växthusgas än koldioxid? TRANSPORTER ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED Flyg- och fartygstransport Error! Bookmark not defined Miljökrav Error! Bookmark not defined Utsläpp från vägtrafik Error! Bookmark not defined Elbilar Error! Bookmark not defined Lagring av koldioxid Error! Bookmark not defined Minskning av koldioxid genom andra sätt Error! Bookmark not defined. 5. FOSSILA BRÄNSLEN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED Energi Error! Bookmark not defined Typer av fossila bränslen Error! Bookmark not defined Bensin Error! Bookmark not defined Etan5ol Error! Bookmark not defined Biodiesel Error! Bookmark not defined Alger för grön råolja Error! Bookmark not defined Olja från växter Error! Bookmark not defined Energigaser Error! Bookmark not defined Naturgas Error! Bookmark not defined Biogas. Error! Bookmark not defined Vätgas Error! Bookmark not defined. 6. SOLENERGI 31 2

3 6.1. Solens - ett klot av gas Solceller BELYSNING Glödlampan Lysröret och lågenergilamapan Kvicksilverfri lågenergilampa Lysdioden ANDRA VÄRMEKÄLLOR ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED Bergvärme Error! Bookmark not defined Produktion av elektricitet Error! Bookmark not defined Kärnkraft Error! Bookmark not defined. 9. FÖRNYELSEBAR ELEKTRICITET Vindkraft Vertikal vindkraft Alternativ vindkraftsteknik Error! Bookmark not defined Utbyggnad av vindkraft Vattenkraft Error! Bookmark not defined Vågkraft Error! Bookmark not defined Andra kraftverk Error! Bookmark not defined Prognosstyrning Error! Bookmark not defined. 10. RENA TEKNOLOGIER ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED Miljöteknik Error! Bookmark not defined El ur spillvatten Error! Bookmark not defined. 11. KLIMATSMART MAT ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED Miljökrav Error! Bookmark not defined Odling Error! Bookmark not defined Avfall Error! Bookmark not defined. 12. LITTERATUR OCH KÄLLOR 71 3

4 1. Inledning Det här materialet tar upp miljöfrågor och fysiken bakom dessa. Underlaget har mål att vara skrivet så att den som är intresserad av ämnet ska kunna ta till sig av innehållet utan att behöva vara expert eller ha djupa fysikkunskaper. Tanken är att materialet ske ge en översiktsbild av relevanta miljöfrågor som läsaren kan ta med sig för vidare diskussioner. Materialet kommer att ta upp mer etablerade miljöfrågor som utnyttjande av naturkrafter, exempelvis vind- och vågkraft, men även diskutera teknikfrågor som berör det som kallas rena teknologier. Detta är teknologier som klassas som miljöteknologi genom att de på någon sätt bidrar till att förbättra miljön på kort eller lång sikt. 2. Global uppvärmning Det första man kanske tänker på när man nämner ordet miljöfråga är global uppvärmning. De flesta känner förmodligen till att med global uppvärmning så menas en ökning av temperaturen på jorden. Närmare bestämt så handlar det om uppvärmningen i atmosfären nära jordens yta och haven. Under 1900-talet steg medeltemperaturen med ca grader. Grafen nedan visar den konstaterade globala temperaturökningen sedan man kunde börja göra tillförlitliga mätningar i mitten av 1800-talet. Rent generellt sker förändringar av temperaturen på jorden på grund av mer eller mindre periodiska naturliga processer. Det både forskas och debatteras om orsaken till dessa, men variationerna av temperaturen förväntas hålla sig runt ett konstant medelvärde. Under det senaste århundradet har dock medeltemperaturen ökat. I september 2013 kom den första delrapporten av FNs senaste klimatrapport. Uppvärmningen av klimatsystemet är otvetydig och många av de observerade förändringarna sedan 1950-talet har inte förekommit under de senaste tiotals till tusentals åren. Atmosfären och världshaven har blivit varmare, mängden snö och is har minskat, havsnivåerna har stigit och halten av växthusgaser har ökat. 1 1 Svensk översättning gjord av Naturvårdsverket. 4

5 1 Temperaturvariation [ o C] Årtal Global temperaturökning där nollvärdet är vald som medeltemperaturen , data från Climatic Research Unit, UK. Den mest accepterade, och samtidigt debatterade förklaringen, är att temperaturökningen orsakas av människans handlingar och främst genom utsläpp av växthusgaser. Enkelt beskrivet så värmer solen upp jorden genom solstrålning, och jorden släpper ut en del av värmen tillbaka i rymden i form av infraröd strålning. Det uppstår en naturlig energibalans. När växthusgaser lägger sig som ett täcke runt jorden, så hindras värmen från jorden på sin väg ut och jorden blir varmare. I en rapport år 2007 från FNs klimatpanel (IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change), som verkar för att ge underlag till beslutsfattare inom miljöfrågor, fastställs att koldioxidhalterna under 2005 låg långt över naturliga variationer under de senaste åren. Enligt prognoser i rapporten förväntas medeltemperaturen öka med 1.8 till 4.0 grader till år Uppvärmningen är inte lika jämn över hela jorden, ökningarna blir störst över land och på norra halvklotet. Klimatpanelen fastslog att om den genomsnittliga temperaturökningen inte ska bli mer än två grader så måste de globala 5

6 koldioxidutsläppen börja minska senast år 2015 och minska med mellan 50 och 85 procent fram till år Rapporten av FNs klimatpanel gavs ut 2007, och en kompletterande rapport gavs ut 2009 av Regeringskansliet 2. Klimatpanelens studier täckte fram till år Kommissionen för hållbar utveckling har därför bett om en uppdatering och den nya rapporten från 2013 visar bland annat att ökningstakten av växthusgaser är högre än tidigare Klimatanpassning av världen De olika länderna har olika mål som måste uppfyllas när det gäller koldioxidutsläpp. Det kommer ständigt beräkningar om hur mycket klimatanpassning skulle kosta. Med klimatanpassning menas de åtgärder som görs för att anpassa samhället till klimatförändringar som vi ser idag och sådana som vi inte kan förhindra i framtiden. I Sverige finns Klimatanpassningsportalen, som är ett samarbete mellan flera myndigheter, där man kan läsa mer om det som sker i Sverige 3. Som en del av detta så har Sverige miljömål Sveriges miljömål I Sveriges miljömål 4 skall klimatpåverkan begränsas utan kompensation för koldioxidupptag i kolsänkor och så kallade flexibla mekanismer. En kolsänka binder kol, exempelvis i hav eller växtlighet. Skogen är en viktig del av växtligheten. Avhuggning påverkar därför kraftigt skogens möjlighet till att binda kol. Flexibla mekanismer är olika former för utsläppshandel med växthusgaser. De svenska utsläppen av växthusgaser skall, som ett medelvärde för perioden , vara minst 4 % lägre än utsläppen år Markku Rummukainen och Erland Källén, 2009: Ny klimatvetenskap , Kommissionen för hållbar utveckling, Regeringskansliet

7 Sveriges riksdag har beslutat om 16 stycken miljömål 5. Dessa är: 1. Begränsad klimatpåverkan 2. Frisk luft 3. Bara naturlig försurning 4. Giftfri miljö 5. Skyddande ozonskikt 6. Säker strålmiljö 7. Ingen övergödning 8. Levande sjöar och vattendrag 9. Grundvatten av god kvalitet 10. Hav i balans samt levande kust och skärgård 11. Myllrande våtmarker 12. Levande skogar 5 7

8 13. Ett rikt odlingslandskap 14. Storslagen fjällmiljö 15. God bebyggd miljö 16. Ett rikt växt- och djurliv Som en reaktion på klimatpanelens rapport så finns nu förslag på hur de svenska utsläppen ska minska till 2020 på kort (år 2020) och lång (år 2050) sikt. De kortsiktiga målen bör minska de svenska utsläppen med 40 procent fram till På lång sikt så utarbetas en klimatfärdplan 6 med förslag på att inte ha några utsläpp till år Förslaget ska komma till november Effekter av global uppvärmning Vilka effekter kan då den globala uppvärmningen ge? Några scenarion är att stora gräsområden kan förvandlas till öknar, isområden kan smälta, vindar och havsströmmar kan ändra riktning och i sin tur ge följdeffekter, havsytorna stiger och dränker kustnära områden. Stora isområden kommer ständigt upp i klimatdiskussionen, främst de som finns vid nord- och sydpolen. Dessa enorma områden med stor yta reflekterar 6 8

9 strålning. Om dessa ytor blir mindre så minskar följdaktligen den reflekterade strålningen och bidrar till en ökad temperatur genom en minskad värmeavgivning som sker genom jordens strålning ut i rymden. Den reflekterande effekten har ett eget namn, albedo, som används inom fysik, meterologi och astronomi. Albedo räknas som den andel av rakt infallande ljus som återkastas av en yta eller en kropp. Värdet som en yta eller kropp har beror på dess sammansättning. Exempelvis har nysnö ett albedo på 0.9 och hav har ett värde på 0.06, d v s 90% respektive 6% av strålningen reflekteras för nysnö och hav. Därför är isområden viktiga för att reflektera solstrålning. Havsnivån förväntas stiga om den globala uppvärmningen fortsätter Växthusgaser En växthusgas är en gas som bidrar till växthuseffekten, exempelvis koldioxid, freoner, kväveoxid, metan, vattenånga och ozon. Koldioxid bildas vid de flesta förbränningar av kolföreningar i syremiljö. Freoner är föreningar av kolväten med flor, klor och brom och som användes som kylmedium. Men idag har de 9

10 mer eller mindre har fasats ut inom sina tillämpningar till fördel för bättre alternativ eftersom de kan bidra till att minska ozonskiktet. Vid förbränning i luft bildar kväve och syre kväve(mono)oxid vid höga temperaturer och höga tryck. Det sker främst från förbränningsmotorer eller förbränning i kraftverk. Kväveoxiden kan i sin tur reagera med syre för att bilda kvävedioxid som medverkar tillsammans med kolväten och sot för att bilda marknära ozon. Metan bildas vid nerbrytning av organiska material som avföring och urin från människor och djur, samt existerar som en andel i naturgas vilket är en blandning av gaser i jordskorpan. Ozon är en gas av tre syreatomer som är giftig för människan, men som i atmosfären skyddar mot skadlig ultraviolett (UV)- strålning. Freon och andra gaser som bryter ner ozon har tunnat ut ozonlagret, men med minskade utsläpp kan ozonskiktet återställas eftersom syre övergår till ozon när det utsätts för UV-strålning. Koldioxid, metan och ozon är de viktigaste gaserna när det gäller växthuseffekt. Gaserna kan stanna kvar tiotals år i atmosfären. De hinner då fördela sig över hela jordklotet. Deras påverkan blir på en global nivå, även om de direkta källorna är ojämnt fördelade över jordklotet. Koldioxid är en molekyl av kol och syre, den kemiska beteckningen är CO2. Gasen är färglös, lite tyngre än luft och inte brännbar. Koldioxid är den produkt som 10

11 blir kvar vid all oxidation av kol och kolföreningar med luft eller syre. Kol bildas till stor del vid förbränning av ved, kol och petroleum i luft. Koldioxid används som kylmedel, exempelvis i livsmedelsindustrin, eftersom den är lätt, inte lämnar några rester efter förgasning och inte är giftig. Den används även som skyddsgas för att undvika att få in luft vid förpackning av livsmedel. Gas Andel % Kväve Syre Argon 0.93 Koldioxid Neon Helium Metan Halten av koldioxid i atmosfären har ökat cirka 30% under de senaste 250 åren. Förbränning av fossila bränslen ger ett stort tillskott av koldioxid. FNs klimatpanel uppskattar att ungefär 75% av den ökade halten av koldioxid beror på människans industrialisering, och resten från variation i markanvändning. Forskning pågår för att försöka reducera koldioxid till kolmonoxid som är en industriellt användbar molekyl. Detta sker bland annat med hjälp av synligt ljus och olika enzymer. Svårigheten är att hitta metoder som inte kräver mycket energi, och på sikt hitta organismer som kan reducera gasen. 11

12 Metan har ökat med uppskattningsvis 150% under de senaste 250 åren. Det är oklart varifrån utsläppen ökar, men de kommer från biologiska aktiviteter. Vissa former av jordbruk som risodlingar och kreatursuppfödning ger stora utsläpp av metan till atmosfären. Eftersom metan finns som en del i naturgas, kan spill från hanteringen av naturgas vara en orsak till att metanhalten ökar Industriella utsläpp av koldioxid Industrins koldioxidutsläpp kommer främst från förbränning av fossila bränslen, men även från stålindustrins masugnar och cementtillverkningsprocesser. Utsläpp av koldioxid från industrin i Sverige uppgick 2005 till 15,1 miljoner ton. Det motsvarar drygt en tredjedel av de svenska utsläppen. 12

13 Utsläppen ökar med utökad industrialisering. Vid masugnar reduceras järnmalm till järn med hjälp av kol. Eftersom stål är en legering av järn med upp till 2% kol så uppkommer de största utsläppen vid rening av järnmalm. Järnmalmen består av olika järnoxider. När man blandar 13

14 järnmalmen med kol i en masugn så får man bort syret när två syreatomer förenar sig med en kolatom och bildar koldioxid, och lämnar kvar råjärn som förädlas till stål. Men kolet förbränns inte fullständigt. Mycket energi finns i restgaser, framförallt vätgas och kolmonoxid. Järnmalm består av ett eller flera av mineraler. Den finns i olika geologiska formationer och har bildats under lång tid. De viktigaste är bandade järnmalmer och apatitjärnmalmer, av vilka de flesta bildades för runt två miljarder år sedan. Dessa malmer innehåller mellan 50 och 70 viktprocent järn och består av magnetit (svartmalm) och hematit (blodstensmalm). Järnhalterna i jordens inre är betydligt högre än på jordskorpan, och järnhalten på jorden är cirka 35 % av jordklotets totala massa. Eftersom järn lätt förenar sig med andra grundämnen, främst syre och svavel, är det inte vanligt med rent järn. Världens reserver av järnmalm uppskattas till drygt miljoner ton med ett järninnehåll av ca miljoner ton. Vid SSABs masugnar i Luleå och Oxelösund släpps runt 5.9 miljoner ton koldioxid per år. Försök pågår att återföra de brännbara gaserna till masugnen. Med en sådan recirkulation kan man spara 25 procent kol och så minska koldioxidutsläppen med lika stor del. Ännu återanvänds inte avgaserna eftersom de innehåller för mycket kvävgas och koldioxid. Vid försöken provar man att använda syrgas i stället för luft för att bli av med kvävet, och skilja av koldioxiden innan gasen återförs till masugnen. SSAB står för elva procent av Sveriges koldioxidutsläpp. Om man lyckas avskilja koldioxiden och kan komma på hur den ska slutförvaras så minskar utsläppen nästan till noll. 14

15 Källa: Energimyndigheten, Ny Teknik okt 2008 SSAB Luleå, Lulekraft SSAB Oxelösund Preem Scanraff Cementa Slite Fortum Värtan LKAB Kiruna Preem Raffinaderi Shell Raffinaderi Cementa skövde Mälarenergi Västerås stål stål olja cement värme malm olja olja cement värme Utsläpp koldioxid [miljontals ton] 2.6. Kollagring och kvävegödsling Koldioxidutsläppen kan bli mindre genom att man binder mer kol i marken. Ett alternativ som diskuteras är kvävegödsling. Ökad kollagring i skogsmark genom kvävegödsling studeras eftersom den naturliga omsättningen av koldioxid är uppskattningsvis tio gånger större än de globala utsläppen av koldioxid från fossila bränslen. Utöver förbättrad teknik så kan kvävedioxidutsläppen minskas genom kvävegödsling av skog, vilket är ett debatterat ämne. Kvävegödsling medför att mer kol lagras i skogsmark genom att sakta ner nedbrytningen av döda växtdelar. Kväve förändrar ämnesomsättningen hos mikroorganismer som sköter nedbrytning av organiskt material där de kommer åt kol och kväve. Koldioxid släpps ut under nedbrytningsprocessen. Det organiska materialet blir svårare att bryta ner genom den ändrade ämnesomsättningen och processen bromsas upp. Kväve påverkar nedbrytningen dels genom att döda växtdelar till att börja med får en högre kvalité för mikroorganismerna och nerbrytningen sker snabbare, 15

16 vilket till en början ger mer koldioxid, men dels genom mikroorganismerna får direkt tillgång till kväve. De behöver då inte utvinna lika mycket kväve från växterna, vilket ger mindre koldioxid. Nerbrytningen saktar då ner och mer kol stannar kvar i marken. Mer kol lagras genom en ökad produktion av växtmaterial genom kvävegödsling. Växterna består till stor del av kol som tas från koldioxiden i luften. Eftersom växterna är begränsade av tillgången på kväve i sin tillväxt genom fotosyntesen, så medför ökad kvävegödsling en ökad tillväxt. I fotosyntesen utvinner växterna energi från koldioxid och vatten med hjälp av solljuset. Vattenmolekylerna delas upp i väte och syre. Syret går ut i luften och vätet förenas med koldioxid för att bilda glukos som omvandlas till näring i växtens celler. Som resultat får kvävegödsling skogen att växa snabbare, vilket i sin tur ger ökad skogsproduktion, men det finns även risk för övergödning eftersom kväve redan 16

17 tillförs genom nerfall av luftföroreningar från industrier. En ökad lagring av kol i biomassa, mark eller vatten kallas kolsänka. Övergödning börjar med att mer kväve och fosfor kommer ner i ett vattendrag än vad som är naturligt. Övergödning sker främst genom kväve och fosfor, och dessa ämnen finns ju naturligt i olika kemiska föreningar i marken och i vattnet. Eftersom både kväve och fosfor fungerar som gödningsmedel börjar alger och andra växter i vattnet att växa kraftigt. När algerna och växterna så småningom dör så faller de till botten och de börjar brytas ner. Om det är väldigt gott om växter kan det bli syrebrist i vattnet och då är det väldigt få småkryps- och fiskarter som klarar sig. I sjöar och hav leder övergödning till syrgasbrist och ökad algblomning. Till slut kan en övergödd sjö växa igen helt. En avverkning med efterföljande markberedning medför bland annat att mer koldioxid och kväve avges till luften eftersom marken friläggs. Detta skyndar på nedbrytningen i marken. När skogen växer upp så binder den mer kol än den avger. Om marken däremot används för energigrödor så tar det många år innan utsläppen av koldioxid har arbetats in. 17

18 I början av 2011 presenterades forskningsrön om att sjöar, dammar och vattendrag ger ifrån sig mer av växthusgasen metan än tidigare känt 7. Metanutsläpp från sjöar och vattendrag har alltid ägt rum. De är naturliga och utgör inget miljöhot, men deras gasutsläpp är svåra att beräkna och har varit dåligt kända. Forskningen visar att ett litet kontinuerligt utsläpp sker hela tiden från ytan, men betydligt större utsläpp kommer plötsligt. Dessa sker med oregelbundna mellanrum, metan bubblar upp från bottnarna till atmosfären i stora mängder på bara några sekunder. Data baserades från 474 sötvattensystem, och visar att utsläppen av metan från världens sötvatten motsvarar 25 procent av den koldioxid som naturen på jordens landområden binder. Eftersom metan ger en mycket starkare växthuseffekt per molekyl än koldioxid så innebär forskningsrönet att den växthusgassänka som skogar och andra landekosystem utgör är betydligt mindre än vad man trott Andra aspekter på koldioxidutsläpp och skog 7 Freshwater Methane Emissions Offset the Continental Carbon Sink, David Bastviken, Lars J. Tranvik, John A. Downing, Patrick M. Crill, Alex Enrich-Prast, Science 331 (2011)

19 Massaved från skogen kan även användas för att framställa biogas utan att påverka flödet av materialvolymerna. Med en investering på 75 till 100 miljoner kronor skulle massabruk kunna ställa om sina processer så att de kan tillverka biogas utan att det påverkar massaproduktionen. Detta skulle vara möjligt genom att ta ut organiskt restmaterial tidigt i processen och använda den för att tillverka biogas. Produktionstekniskt handlar det om att gå in i hjärtat på massaprocessen, där de levande organismerna finns så att det blir en syrefri nedbrytning av organiskt material. Massaved som används vissa massaframställning kan ge tallolja, som i sin tur kan användas som biobränsle. Enligt en studie från 2008 av 21 svenska bruk om deras såpahantering och talloljekokning som genomfördes av Ångpanneföreningen och Värmeforsk så har Svenska massabruk potential att öka sin produktion av tallolja med tio procent, motsvarande 290 gigawattimmar energi om året. Undersökningen visade att det är mycket stor variation i talloljeproduktionen vid de svenska bruken. Som mest utvanns 67 kilo tallolja per ton pappersmassa, och som minst tio kilo. Variationen beror bland annat på andelen tall i brukets råvara av ved, hur länge veden lagras och hur processerna ser ut. Men även vilken breddgrad bruket ligger påverkar talloljeproduktionen, och ju högre upp i landet bruket befinner sig, desto högre är talloljeproduktionen. Träden som används vid bruk längre norrut har växt långsammare och innehåller mer tallolja. För att få ut så mycket tallolja som möjligt ska bruken bland annat ha en hög andel tall som råvara och korta lagringstider av veden. I April 2010 invigdes världens första talldieselfabrik, som producerar råtalldiesel från råtallolja, i Piteå. Studier av fönster och möbler av trä genomförd av Trä- och Möbelindustriförbundet (TMF) visar att även de binder koldioxid, och som släpps lös först när fönstret eller möbeln återvinns. Runt 1.65 miljoner ton koldioxid binds i träfönster enligt förbundets rapport från slutet av TMF är bransch- och arbetsgivarorganisationen för den träförädlande industrin och möbelindustrin i Sverige, och företräder cirka 800 medlemsföretag med över anställda. I takt med att utsläpp av koldioxid har ökat från 2 miljarder ton/år (år 1850) till nuvarande 35 miljarder ton/år så har många klimatforskare befarat att de naturliga koldioxidsänkorna såsom skog och hav skulle mättas. Detta skulle på 19

20 sikt kunna leda till en markant ökning av koldioxid i atmosfären. I en studie baserad på statistisk data av Dr. Wolfgang Knorr vid Bristol University (Geophysical Research Letters, Nov 2009) så visar utvärderingen att halten mellan koldioxid i luften och den som absorberats i marken är nästintill oförändrad (+0.7 ±1.4% per årtionde) sedan Rent statistiskt så har det enligt studien inte skett någon förändring av den koldioxid som marken kan fånga in. Om studien stämmer så betyder det att mer koldioxid kan lagras i marken när utsläppen blir högre. 20

21 3. Naturlig och förstärkt växthuseffekt För att förstå växthuseffekten så måste vi beskriva strålning och atmosfären Strålning Temperaturen på jorden hålls i balans genom naturliga processer. Rent fysikaliskt strålar det in energi i form av strålning från solen. Strålningsenergi från jorden strålar ut i rymden. Dessa bildar en energibalans. Andra fysikaliska värmeöverföringar som konvektion (som ges av rörelser av gaser eller vätskor), ledning eller avdunstning sker inte eftersom jorden är isolerad i vakuum. Strålningen från solen består av synligt ljus, UV-strålning och infraröd (IR)- strålning. En del av denna strålning reflekteras högt uppe i atmosfären och resterande del växelverkar med jorden på olika sätt så att jorden värms upp, eller reflekteras. Elektromagnetisk strålning kan ses som vibrationer eller darrningar i elektriska och magnetiska fält. Man kan beskriva strålningen som vågor som breder ut sig i ett medium. Elektromagnetisk strålning i våglängdsintervallet nanometer kan uppfattas av människans öga och kallas vardagligen för synligt ljus. De olika färgerna har olika våglängd, det vill säga avståndet mellan två liknande delar (exempelvis två vågtoppar) varierar. Våglängden brukar betecknas med den grekiska bokstaven λ (lambda) och i synliga områden är avståndet mellan topparna nanometer, där 1 nanometer är en miljondel av 1 mm. Ljus som har en våglängd nära 400 nanometer upplevs som violett ljus. Med ökande våglängd blir ljuset blått och sedan grönt, och fortsätter sedan till gult, orange och rött. Det skiljer sig hur vi uppfattar färgerna, och det finns ingen tydlig gräns mellan de olika färgerna. 21

22 Ljuset från solen innehåller strålning med våglängder som ögat inte kan uppfatta. Vid våglängder kortare än den violetta delen finns den strålning som kallas ultraviolett strålning, UV-strålning. Intensiteten av denna strålning minskar kraftigt när våglängden minskar. Vid våglängder kortare än 100 nanometer är intensiteten av UV strålningen från solen försumbar. Vid längre våglängder än våglängden för rött ljus finns den infraröda strålningen, IR-strålning, som även kallas värmestrålning. Intensiteten för denna strålning hos solljuset minskar med ökande våglängd, men inte lika kraftigt som för UVstrålning. Först vid våglängder kring 1 mm är strålningens intensitet försumbar. Den största delen av energin från solen kommer i form av infraröd strålning, denna del motsvarar ca 53% av energin. Den synliga delen av ljuset från solen utgör 36% och resten, 11%, är UV-strålning Atmosfären 22

23 Namnet atmosfären kommer från grekiskan, atmos (ånga) och sfaira (klot). Det är ett gashölje som omsluter jorden och hålls kvar av jordens gravitationskraft. Atmosfären består av kväve, syre och argon till drygt 99%. Resten är vattenånga och andra gaser, bland annat koldioxid och ozon. Atmosfären finns mellan jorden och solen. Den skyddar från solstrålning som har våglängd kortare än 300 nanometer, det vill säga den ultravioletta strålning som är farlig för människan. I atmosfären finns syremolekyler och framför allt ozon (bestående av tre syreatomer, O3) som mycket effektivt absorberar all strålning med våglängder kortare än 300 nanometer. Mellan nanometer släpper atmosfären igenom strålningen i allt ökande grad och vid 400 nanometer släpps mer eller mindre all strålning igenom atmosfären. Ozonmolekylerna är utspridda i hela atmosfären men ligger särskilt tätt mellan 20 och 40 kilometers höjd. Det höjdområdet kallas stratosfären och under den finns molnen. Ozon bildas med hjälp av solens strålar, där syremolekyler (O2) delar på sig och en syreatom går ihop med en syremolekyl och bildar O3. Detta ozon kan sönderdelas tillbaka till en syreatom och en syremolekyl när UVstrålning träffar ozonmolekylen. Energin från UV-strålningen fångas upp av ozonmolekylen. På så sätt stoppas UV-strålning av ozonskiktet och stora delar av UV strålningen når inte jorden. Ljuset från solen sprids av molekylerna i luften. De korta våglängderna sprids mer än de långa och därför blir himlen blå. På samma sätt sprids UV-strålning. Spridning av strålning kallas Rayleigh-spridning, som fick sitt namna efter Lord Rayleigh. På dagen när solen står som högst så är himlen blå. Det beror på att strålning med olika våglängd sprids av partiklar som är mindre i storlek än ljusets våglängd. Den synliga delen av solstrålningen är nästan vit eftersom strålningen innehåller alla färger. Rayleigh-spridning är proportionell mot våglängden, som ofta betecknas med den grekiska bokstaven λ (delta) som λ -4, det vill säga att ljus med kort våglängd (som blått ljus) sprids bäst. Det gröna och det röda ljuset som har längre våglängd kommer att spridas mindre och tränger igenom atmosfären i en rak bana. Det blå ljuset sprids över himlen cirka fem gånger mer än rött ljus och ger himlen sin färg på dagen. På kvällen, eller morgonen, när solen står lågt har solljuset en längre väg att färdas genom atmosfären. Det blå ljuset sprids och det mesta av det blå ljuset når inte till marken. Ljuset uppfattas som rött och vi upplever den röda kvälls- eller morgonsolen. 23

24 Tillsammans med William Ramsay isolerade och identifierade Rayleigh ädelgasen argon Rayleigh och Ramsay fick 1904 Nobelpriset i fysik respektive i kemi, för sina upptäckter av ädelgaserna. Atmosfären ger även en spridning av IR-strålningen från solen. Vissa gaser är mer effektiva när det gäller absorption av värmestrålning. Absorptionen av gaser sker inte vid alla våglängder utan främst inom vissa våglängdsområden. Bland de gaser som är effektiva finns vattenånga, koldioxid och metan Strålningsbalans När värmestrålning, synligt ljus, ultraviolett strålning eller röntgenstrålning träffar ett föremål absorberas en del av strålningsenergin. Resten av strålningen antingen reflekteras eller passerar genom föremålet. Strålningen växelverkar med föremålet och omvandlas till värme, främst genom att föremålets atomer sätts i rörelse. En kropp, som byggs upp av atomer, och som är uppvärmd avger energi i form av strålning som inom fysiken kallas svartkroppsstrålning. Strålningen kallas även temperaturstrålning eller värmestrålning. Den här strålningen har sin energi i vissa intervall, eller maximum vid olika våglängder. Eftersom det temperaturen skiljer sig på olika delar av kroppen så blir det en fördelning av 24

25 strålningen. En kropp som befinner sig vid rumstemperatur avger strålning i den djupa delen av det infraröda området. En glödlampa har en temperatur på ungefär 2500 o C. Från denna får vi ljus, det vill säga strålning i det synliga delen av spektrat, och värme som är strålning i det infraröda området. Ungefär 95% av strålningen är värmestrålning och resten strålning i det synliga området. Solen har en temperatur på ungefär 6000 o C, och en stor del av strålningen som sänds ut från solen är i det synliga området. Vid temperaturer över 700 o C börjar en kropp skicka ut strålning i det synliga området, en kropp ser ut att glöda svagt. Vid fortsatt uppvärmning så övergår ljuset till gult samtidigt som det blir allt kraftigare i intensitet och blir sedan vitt. När en kropp blir varmare så blir våglängden kortare. Svartkroppstrålning vid ökande temperatur [700, 2700, och 5700 o C] Gaser i atmosfären påverkar strålningen från den uppvärmda jorden genom växthusgaserna. Genom växelverkan med gaser så skickas IR-strålning tillbaka mot jorden. Denna strålning värmer i sin tur upp jorden ytterligare. Man kan 25

26 göra beräkningar på strålningsbalans mellan ingående och utgående strålning. Utan en naturlig växthuseffekt, det vill säga att all strålning från jorden går ut i rymden, skulle temperaturen vara ca -18 o C. Inget liv skulle kunna existera eftersom allt vatten skulle vara fruset. Eftersom det finns en naturlig omsättning av gaser, som koldioxid, så finns en normal mängd av dessa gaser i atmosfären. Gaserna växelverkar med strålningen som skickas ut från jorden och ger en naturlig växthuseffekt. Rent fysikaliskt så vibrerar molekylerna i sina normala tillstånd. När de träffas av IR-strålning börjar de vibrera kraftigare när de fångar upp energin. Eftersom det inte är ett normalt tillstånd för molekylerna så avger de energi för att återta sina tidigare tillstånd. De avger då IR-strålning eftersom de avger samma mängd energi som de fångade upp. Strålningen avges i olika riktningar, och i det enklaste fallet så avges en del mot solen och en del mot jorden. Det här är grunden till den naturliga växthuseffekten. 26

27 Med detaljerade beräkningar som tar hänsyn till IR-strålningen som faller in mot jorden igen ger att jordens genomsnittstemperatur är ca 15 o C. Det fungerar i princip som ett växthus, där en del av infallande solstrålning reflekteras av glaset. En stor del av solens strålning släpps dock igenom och absorberas av växter och mark. Den utgående värmestrålningen från dessa hindras av glaset och får som följd att växthuset blir varmare. Energi flödar in mot jorden från solen. Jorden värms upp och avger energi i form av infraröd strålning som i sin tur växelverkar med atmosfären. Solen och jorden befinner sig i en strålningsbalans där atmosfären bildar en naturlig växthuseffekt. I vardagligt tal misstas ibland den naturliga växthuseffekten med den globala uppvärmningen som är en konstaterad ökning av medeltemperaturen på jorden under 1900-talet. Den förstärkta växthuseffekten sker på grund av en ökad halt av växthusgaser, så att den värmestrålning som skickas tillbaka till jorden är högre än naturligt och värmer upp jorden mer. 27

28 Utöver växthusgaserna bidrar moln till växthuseffekten eftersom de absorberar IR strålning liksom växthusgaserna, men även för att de reflekterar solstrålning. Moln är en ansamling av vattendroppar eller iskristaller i luften. Moln uppstår när luft kyls så att den blir mättad på vattenånga. Molndropparna bildas genom att vattenånga kondenserar på små partiklar. Moln som befinner sig nära marken reflekterar solstrålning tillbaka till rymden mer än de växelverkar med värmestrålningen från jorden eftersom deras temperatur ligger ganska nära temperaturen på marken. Höga moln har större påverkan på växthuseffekten eftersom de har lägre temperatur och utstrålar mindre värmestrålning mot rymden. De består även till stora delar av iskristaller, som inte reflekterar solstrålning så effektivt. 28

29 Låga moln reflekterar solstrålning Klimatproblemet beskriver att orsaken till jordens uppvärmning är ökade utsläpp av växthusgaser som följd av industrialiseringen, som ger ökad återfallande IR-strålning in mot jorden och en ökad temperatur Metan en starkare växthusgas än koldioxid? Metan bildas vid bakteriell nedbrytning av organiskt material i syrefattig miljö, t ex vid kornas fodersmältning och vid lagring av gödsel och annat biologiskt avfall. När gasen framställs från reningsverkens rötslam och annat avfall så kallas den biogas och de stora underjordiska lagren av metan kallas naturgas. Både koldioxid och metan finns som naturliga delar i olika processer. I vissa artiklar och debatter så dyker jämförelsen mellan metan och koldioxid upp, och att metan ska vara en starkare växthusgas än koldioxid. Skillnaden mellan halterna av metan och koldioxid är att det finns cirka 190 gånger mer koldioxid i atmosfären än metan. De mängder som kommer till atmosfären har även en viss livslängd innan de bryts ner, under vilken tid som de bidrar till att skapa växthuseffekten och förstärkningen av denna. Metan har kortare livslängd i atmosfären än koldioxid, och därmed bidrar en viss mängd metan till 29

30 uppvärmningen under en kortare tid. Jämförelsen som leder till att metan ibland räknas som en starkare växthusgas kommer från att mängden strålning som en viss gas i atmosfären absorberar beror på vilka andra gaser som ingår. Vattenånga och koldioxid absorberar i relativt breda delar av den infraröda strålningen. Metan absorberar inom andra våglängdsområden, vilket gör att dess relativa bidrag till växthuseffekten kan anses som större. Ett vanligt sätt att jämföra gaserna är att räkna på effekten under 100 år. Då visar det sig att en molekyl metan bidrar 25 gånger mer till växthuseffekten än en molekyl koldioxid. En jämförelse som ofta göra är när man jämför ett kilo koldioxid med ett kilo metan, och metangasens bidrar kan då ses som större, men bör ställas i perspektiv till de faktiska halterna i atmosfären. 30

31 4. Solenergi 4.1. Solens - ett klot av gas Solen är ett klot av gas och består till största delen av väte. Den främsta energialstringen i solen är omvandling av väte till helium. I solens inre är temperatur och tryck så höga att kärnreaktioner äger rum. Då omvandlas väte till helium och stora mängder energi frigörs. Energierna omvandlas och når jorden i form av strålning. Solen består till ca 74% av väte. Strålningen uppkommer när fyra vätekärnor omvandlas till en heliumkärna. Heliumkärnan är lättare än de fyra vätekärnorna. Skillnaden i massa omvandlas till strålning. Samtidigt som strålningen bildas så minskar solen i vikt med ungefär fyra miljoner ton per sekund. Den enorma energikällan som solen utgör hotas av miljöföroreningar. Energi från omvandlingen i solens inre, där temperaturen är cirka 15 miljoner grader, resulterar i gamma- och röntgenstrålning som rör sig utåt under oupphörliga kollisioner. Tidsskalan för denna energitransport är tiotusentals år. Vid solens synliga yta har gasens temperatur sjunkit till grader och strålningen har tappat energi på vägen. 31

32 Strålningen som sänds ut från solen består av våglängder från ultraviolett till infrarött. Den största delen finns inom det synliga området (våglängder mellan 390 och 770 nanometer) och den strålningen kallas i vardagligt tal för ljus. Den mesta energimängden ligger dock i infraröda området där strålningen har en våglängd över 770 nanometer upp till 1 mm (1000 nanometer). Den mängd solenergi som träffar vår planet på en enda timme räcker i teorin till för att förse mänsklighetens energibehov i ett helt år. Solen är omkring 4,6 miljarder år och har ännu inte har nått halva sin livslängd. När solen förbrukat sitt väte så kommer den att svalna, och solen övergår till att förbränna det helium som producerats genom omvandlingen från väte. Gravitationskraften minskar och solen sväller. Närbelägna planeter, som jorden, kommer att slukas. När solens förråd av helium är slut så övergår solen att förbränna andra grundämnen tills dessa är slut, varpå den sjunker ihop och minskar i temperatur tills den är helt kall Solceller En solcell omvandlar strålning till elektrisk ström. Möjliga användningsområden för solceller ökar allteftersom tekniken utvecklas. Till en början så hindrades praktiskt bruk av solceller i och med en hög framställningskostnad. Den elektricitet som solcellerna producerade var mer kostsam än elektricitet framställd med konventionella metoder. Omvandlingskapaciteten var låg men förbättras hela tiden släpptes den första solcellen ut på marknaden och den hade en effektivitet på ca 6%. Dagens solceller uppnår en effektivitet runt 20%. Från 1978 till 1998 reducerades försäljningspriset med en tiopotens, och prissänkningen fortgår allteftersom tekniken utvecklas. I dagsläget erbjuds 32

33 prismässigt överkomliga standardlösningar för husägare att komplettera sin elförsörjning med solceller. Livstiden är lång, garantitiden ligger på upp till 25 år. Andra användningsområden i vår vardag är klockor och miniräknare. Enskilda områden där elektricitet inte kan dras fram och som tidigare fick förlita sig till ved, olja och fotogen, har stora delar av sitt energibruk genom solceller, och flera hundra fyrar drivs av solceller. Nyttjande av solceller ökar allteftersom utvecklingen fortgår genom ökad omvandlingskapacitet och reducerade priser. Solceller används i rymden Solcell fram- och baksida En solcell är baserad på en skiva av kisel. Ett mönstrat metallskikt täcker den sida som exponeras mot solljuset och är i kontakt med kiselplattan. På baksidan finns andra metallskikt som är till för att ta till vara på elektriciteten som alstras. När solljuset faller på cellen så skapas en elektrisk spänning mellan metallskikten. Solcellen blir i praktiken ett batteri som varar den tid som cellen exponeras för 33

34 solljuset. Genom att koppla ihop många celler till en praktisk hanterbar modul så ökar kapaciteten hos en solcellsanordning. Fysiken bakom solceller förklaras av dopade halvledare. En halvledare är ett material som man kan förändra till att antingen leda bra, eller ibland leda sämre och bli en isolator. Detta åstadkoms genom att tillföra andra typer av atomer än de atomer som halvledaren består av. En atom består av en kärna och ett visst antal elektroner. Antalet elektroner är bestämt och beror på vilken atom det är. Genom att tillföra en annan atomtyp som har en eller två elektroner fler än ursprungsatomen i halvledaren så får man extra elektroner. Detta kallas dopning. Omvänt, genom att tillföra atomtyper med en eller två elektroner färre än ursprungsatomen i halvledaren, får man tillgång till vakanser. Dessa benämns kallas hål och ses som en partikel med omvänd laddning till elektronen. Ett hål har alltså en positiv laddning. Eftersom elektroner är negativt laddade partiklar så blir hålen positivt laddade. En halvledare med extra elektroner kallas n-typ eftersom den har negativt laddade laddningsbärare. En halvledare med färre elektroner kallas p-typ eftersom den har positivt laddade laddningsbärare. Genom kraftig dopning blir det att stort antal laddningsbärare. Dessa bildar en ström när laddningsbärarna rör på sig i materialet. Denna rörelse uppstår när laddningsbärarna får en energi, vilket i solcellen är energin i solljuset. En solcell består av två områden som är olika dopade, ett n-typ område och ett p-typ område. De elektroner och hål som sätts i rörelse av solljuset söker sig till varandra för att utjämna sina laddningar. När laddningar rör sig så bildar de en ström. I gränsområdet mellan den n-typ dopade regionen och det p-typ dopade området bildas ett utarmningsområde genom att elektroner från n-regionen närmast gränsskiktet rör sig över till p-regionen för att neutralisera laddning. På grund av denna förflyttning av laddning uppstår ett elektriskt fält över utarmningsområdet. När solljus faller på den dopade delen utanför utarmningsområdet, så exciteras en elektron från en atom och lämnar ett hål. Men elektronen faller genast tillbaka på sin plats, (eller platsen för en annan elektron som exciterats) och bidrar inte till någon ström. En elektron som exciteras inom utarmningsområdet dras bort från området genom det elektriska 34

35 fältet, och söker sig till ett hål genom ledare som kopplats mellan n-regionen och p-regionen. Genom att koppla en ledare mellan n-typ området och p-typ området kan laddningsbärarna söka sig till varandra. Eftersom elektronen ofta rör sig snabbare än ett hål så är det bara elektroner som går genom ledaren. De bildar då en ström, och genom att koppla in en last på ledaren, exempelvis en lampa eller elektrisk apparat, så får man en ström som uppstått från solljuset. 35

36 Funktion solcell Ett världsrekord i effektivitet hos en solcell uppnåddes i slutet av 2014 till 46% i gallium-indiumbaserade solceller av forskare vid tyska Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems 8. Forskarna använde linser som koncentrerar solljuset 508 gånger innan det bestrålar solcellen för att uppnå den höga verkningsgraden. Det har varit svårt att koppla samman flera celler till en fungerande solcellspanel på grund av defekter i materialet, men genom att koncentrera defekterna till ett område som inte är elektriskt aktivt så kunde de nå en hög verkningsgrad. För att ta hand om solstrålarna används linser strax ovanför cellerna och fokuserar ljuset flera hundra gånger. Den aktiva solcellen är bara ett par millimeter i diameter och byggs i flera lager av olika material, som har till uppgift att omvandla var sina delar av ljusspektrum till elenergi. Eftersom materialåtgången är liten blir de trots allt kostnadseffektiva. Men de är fortfarande mycket dyrare än kiselbaserade solcellspaneler. Hur kan då solcellernas effektivitet förbättras på andra sätt? Plasmoner kallas den vågrörelse som uppstår när elektroner rör sig i en bestämd rytm på en metallisk yta. Genom att överföra den höga frekvensen hos ljuset (hundratals terahertz) till svängningar hos fria elektroner får man effekter på nanonivå, där ljus med olika våglängd tas tillvara för mer energi som bidrar till

37 laddningsbärare. Problemet är dock att hitta ett material med lättrörliga elektroner där energin hos ljuset blir till laddningsbärare istället för värme. Andra typer av solceller är Grätzel-cell, eller även kallade nanosolceller. Dessa söker efterlikna naturens fenomen med klorofyll där solljuset omvandlas till energi. Material och tillverkningskostnader är billigare än solceller tillverkade av kisel. Men i stället för klorofyll, som i naturen bryts ner på ett tiotal minuter och ständigt måste återskapas, använder forskarna nanopartiklar av titandioxid som doppats i rutenium vars elektroner får så mycket energi av ljuset att de kan hoppa ut ur molekylen och skapa en ström mellan två elektroder. I elektrolyten mellan elektroderna transporteras nya elektroner till ruteniumet så att det kan fortsätta att skapa ström. Nanosolcellen har bara drygt tio procents verkningsgrad så för att konkurrera med solceller i kisel så måste framställningskostnaden vara mycket lägre än den för kiselsolcellen. Dessutom måste livslängden kunna mäta sig med kiselsolcellen som håller 20 till 30 år. 5. Belysning I början av december 2008 beslutade EU genom Ekodesignkommittén att glödlampan ska fasas ut, med början år 2009 och i ökande grad under efterföljande år. 37

38 Av den energi som tillförs glödlampan så blir mindre än tio procent till ljus. Resten försvinner som värme. När glödlampan blir varm så kyler den sig genom att avge strålning. Glödlampan är en svartkropp som avger strålning i det infraröda området. Nästan en fjärdedel av den el som hushållen använder går till belysning. Visserligen kan man i våra svenska hem se det som att värmen används till uppvärmning, men det är ändå oerhörda mängder energi som går till spillo. Det uppstår ofta diskussioner om nyttan. Glödlamporna befinner sig ofta i takhöjd och kan då upplevas som att de gör ingen nytta för oss människor eftersom värme försvinner uppåt. Men eftersom det då även blir temperaturskillnader mellan tak och golv, så uppstår rörelser av luften i rummet som rör sig mellan varmt och kallt för att fördela temperaturen. Konvektionen bidrar till att värmen från glödlampor i takhöjd inte helt förloras. Värmestrålningen från en glödlampa går i olika riktningar, en del går uppåt och en del ner mot golvet. En lysdiod kan omvandla 30-50% av energin till ljus. Lysdioden blir inte varm och innehåller inte kvicksilver som lågenergilampan. Av metaller så är kvicksilver är 38

39 ett av de värsta hoten mot både människa och miljö. Sveriges regering har infört ett totalförbud mot kvicksilver i Sverige från juni 2009, och kvicksilver ska inte ens användas i produktionsprocesser om inte företaget kan visa att hälsa och miljö inte kan komma till skada. Undantag för kvicksilveranvändning görs dock för lågenergilampor och lysrör. Livstiden för en glödlampa är cirka timmar, livstiden för en lågenergilampa timmar och dagens lysdioder kan ha en livstid på upp mot timmar Glödlampan En glödlampa är en glödande metalltråd som avger strålning. En ström av elektroner går genom metalltråden. Denna värms upp när elektronerna krockar med atomerna i tråden. Elektronerna tillför energi till metallen som i sin tur avger energin i form av strålning i det synliga och infraröda området när tråden ska kyla sig. För att en svartkropp ska ge ljus i det synliga området så måste temperaturen överstiga cirka grader Celsius innan den börjar glöda. Tråden måste värmas upp till en temperatur runt 2500 grader Celsius innan strålningen börjar närma sig det gulaktiga sken som vi är vana vid. 39

40 När tråden är så varm som 2500 grader Celsius så börjar atomer att lämna tråden. Metalltråden förångas sakta och atomerna hamnar på insidan av glaset i glödlampan. Man kan ofta se hur glödlampans glaskupa har en mörk hinna när den slutat fungera genom att tråden till slut förlorat så många atomer att tråden har gått av. Metalltrådens är av wolfram, det är en av de få material som leder ström samtidigt som den inte smälter vid den höga temperaturen. Dessutom förångas wolfram långsammare än andra material som skulle kunna användas i glödlampan. Glödlampan har en kolv av glas som antingen är transparent, eller matt för att inte blända. Kolven är fylld med en gasblandning av argon och kväve. Gasen gör att glödtrådens förångas långsammare. Halogenlampor är glödlampor som har ett mer vitt ljus. Halogenlampan har en liten del halogengas som blandats med argon och kväve. Halogenlampan används vid ungefär 500 grader högre temperatur hos glödtråden jämfört mot den vanliga glödlampan. Detta ger ett högre ljusutbyte i det synliga området. Ljuset blir vitare eftersom den synliga strålningen får fler blåa ljustoner och det kompletterar den rödgula nyansen så 40

41 att det blir en bättre blandning av färger som ger mer vitt ljus. En liten del hamnar till och med i det ultravioletta området av strålningen. Den högre temperaturen ger visserligen snabbare förångning av glödtråden, men atomerna som fastnat på glaset reagerar med halogengasen och återvänder till metalltråden. Det tar längre tid innan glödtråden blivit så tunn att den går av, och halogenlampan har längre livstid jämfört med glödlampan. En högre temperatur vid glaset är nödvändig för att atomerna ska frigöras från glaset med hjälp av gasblandningen, och därför är halogenlampor ofta små. Halogenlampan har på så sätt ungefär en dubbelt så lång livstid mot den traditionella glödlampan. En stor nackdel med glödlampan är att all energi kommer inte ut som ljus från den varma kroppen. En stor del av strålningen hamnar i det infraröda området. Mindre än 10 procent av energin från elektronerna blir till synligt ljus. Resten är värmestrålning, och glödlampan blir väldigt varm. Glödlampan uppfanns av Edison 1879 och 2011 köptes cirka 12 miljarder glödlampor årligen i världen. Denna marknad är högintressant för lysdiodtillverkare, där det går cirka tio lysdioder för att ersätta en glödlampa och vinsterna kan bli enorma. 41

42 5.2. Lysröret och lågenergilamapan Lysröret innehåller kvicksilver. Fördelen med lysrör är att livslängden är mycket längre än livslängden hos glödlampan, runt 10 gånger längre. Ett lysrör har vanligen formen av ett rör med två elektroder i sina ändar och är fyllt med en ädelgas. När strömmen slås på så sker en elektrisk urladdning mellan elektroderna. Urladdningen ger energi till kvicksilvret, som i sin tur avger energi i form av ultraviolett strålning. Insidan av röret är belagt med ett särskilt pulver. Den ultravioletta strålningen ger energi till pulvret, som slutligen avger sin energi i form av strålning i det synliga området. Pulvret kan ha olika sammansättning och ger ljuset varierande färg- och färgåtergivningsegenskaper. Lysrör för vanlig belysning tillverkas i fyra olika färger, som brukar betecknas 42

43 varm (2 700 K), varmvit (3 000 K), vit (4 000 K) och dagsljus (över K). Den lägsta färgtemperaturen liknar glödljus och finns oftast i våra hem. Lysrör med dagsljusklassificering används nästan bara i professionella sammanhang där korrekt färgbedömning skall göras, t.ex. inom grafisk industri, vid tillverkning av papper, färger, textilier och liknande så att färgerna återges på ett neutralt sätt. Lysrörets introducerades för många år sedan, och senare kom den så kallade lågenergilampan som gjorde att samma princip kunde introduceras i våra hem i mer hanterbar storlek. Lågenergilampan fick en långsam start på belysningsmarknaden eftersom funktionen var osäker och livstiden begränsad. Från det att strömmen slås på så sker flera reaktioner (urladdning, kvicksilverreaktion). Detta kan man fortfarande ibland se med blotta ögat. När strömmen slås på så flimrar det först till innan ljuset blir stabilt. Kritik mot lysrör ges ibland av att de inte sparar lika mycket energi och miljö i tillämpningar där en lampa oftast bara slås på under en kort stund, som exempelvis garderober, källarutrymmen och toaletter. Anledningen är att de drar mycket ström vid start och att de slits mer vid varje start. De får alltså inte lika lång drifttid i sådana situationer. Funktionerna har blivit allt bättre med tiden. Hela processen kräver mindre energi jämfört med svartkroppsstrålningen hos glödlampan, och livstiden är längre hos lysröret. Detta gör att lysröret är ett alternativ för energibesparing, men med nackdelen att lysröret innehåller 43

44 kvicksilver. Varje lysrör och lågenergilampa innehåller mellan tre och fem milligram metalliskt kvicksilver i gasform. Mängderna minskar dock med att utvecklingen går framåt, men samtidigt ökar även antalet lampor. Kvicksilver är ett av de allra farligaste miljögifterna och utgör ett hot både mot miljön och mot människors hälsa. Det är en giftig tungmetall och utgångna lampor måste sorteras som miljöfarligt avfall. Kvicksilver är en lättflyktig metall som kan spridas över långa avstånd i atmosfären. Kvicksilver kan inte brytas ned utan ansamlas i mark, vatten och levande organismer. Även om nedfallet av kvicksilver minskat under de senaste årtiondena så ökar halterna av kvicksilver i miljön. Ju mer kvicksilver som tillförs till samhället genom vårt teknikbehov i form av belysning, batterier, och annan teknik, desto mer ökar halterna i miljön. Trots att nedfallet av kvicksilver har minskat de senaste årtiondena är det inte tillräckligt för att förhindra att kvicksilverhalterna ökar i miljön. Enligt Kemikalieinspektionen 9 så ökar exempelvis halterna med cirka 0.5 procent årligen i skogsmarkens översta lager. Kvicksilver och dess föreningar har framförallt negativa effekter på nervsystemet och dess utveckling, samt på hjärtkärlsystemet, immunsystemet, fortplantningssystemet samt njurarna. Störningarna av nervsystemets utveckling och giftigheten för det centrala nervsystemet är de känsligaste och mest väldokumenterade effekterna. Kvicksilverhalterna i skogsmark är så höga i stora delar av Sverige att de kan påverka den mikrobiologiska aktiviteten i marken. Effekten av det är att näringsomvandlingen i marken kan störas och ge återverkningar på skogsekosystemen som är svåra att förutse. Insamlingen av lågenergilampor och lysrör i Sverige blir allt bättre 10. Det återvunna materialet från lamporna som glas, kvicksilver och metaller används vidare i bland annat nya ljuskällor (kvicksilver), inom förpackningsindustrin (glas) samt inom andra områden och produkter Kvicksilverfri lågenergilampa

45 Det finns olika varianter av kvicksilverfria lågenergilampor. Dessa baseras fortfarande på att en fosfor ger det vita ljuset. Energin till fosforn ges genom andra principer än ultraviolett ljus genom kvicksilver. Samtidigt kan det vara en utmaning att utveckla ny teknik. Bolaget LightLab Sweden AB utvecklade en miljöanpassad energisparlampa, men lade ner utvecklingen efter några års utveckling. Energisparlampan bygger på en unik metod att framställa ljus helt utan användning av kvicksilver, genom så kallad fältemission. Ett flöde av elektroner bildas i en katod av poröst kol som placerats i mitten av lampan. När elektronerna skickas ut från katoden så träffar de insidan av lampans glas. På samma sätt som den kvicksilverbaserade lågenergilampan så är insidan av glaset belagd med en fosfor som får energi från elektronerna och ger ett vitt ljus genom luminiscens. Principen för fältemission har funnits länge, till exempel i en gammaldags TV där elektronerna strålar ut från en glödtråd. Detta ger även värme och LightLab utvecklade fältemission i en kallkatod så att energiförluster genom värmeförluster ska minska. Företaget har visat upp prototyper som tydligt visar att teknologin fungerar i labbskala och där ljusutbytet har ökat markant sedan bolaget 1996 förvärvade rättigheter, patent och material till forskning relaterad till fältemissionskatoden. Tekniken är avancerad och utvecklingen sker inom alla de ingående delarna: den porösa kolkatoden, lyspulvret på lampglasets insida och styrelektroniken. Energieffektiviteten hos lampor för allmänbelysning har dock varit otillräcklig och företaget fokuserar sin affär på kvicksilverfria ultravioletta lampor för vattenrening Lysdioden Den allra första lysdioden demonstrerades redan 1907 av Henry Joseph Round och publicerades i tidskriften Electrical World. Vid den tiden upptäcktes det att kristaller av kiselkarbid (som då kallades carborundum) kunde användas som detektorer i radiomottagare. Om en metallspets trycktes mot kristallen så uppförde den sig som en likriktare - ström flöt bara i ena riktningen mellan kristallen och spetsen. Materialet var inte preparerat på något särskilt sätt, endast två kontakter anlades mot materialet för att få fram en ström. Till sin förvåning fick Round se 45

46 hur ljus uppenbarades från materialet. Färgen varierade från blått till gult, och effektiviteten var låg. Ljuset uppstår när kiselkarbid dopas med vissa ämnen, kväve bildar en så kallad donator och aluminium samt bor en acceptor. En elektron kan röra sig mellan de energitillstånd som bildas mellan donator och acceptor (kväve aluminium eller kväve bor), och avger då energi i form av ljus över ett brett färgspektrum eftersom det bildas ljus med olika energier. Men innan vi går på en mer detaljerad förklaring så ska vi titta på hur dagens vita lysdioder fungerar. I dagens teknologi tillverkas vita ljusdioder främst från galliumnitrid (GaN). Det optimala sättet att få vitt ljus vore att blanda röda, gröna och blåa lysdioder. Då kan man få ett jämnt vitt ljus utan att någon av 46

47 färgerna dominerar. Sådana lysdioder är en dyr lösning eftersom man måste sätta ihop tre lysdioder. Dessutom så avtar färgerna olika med tiden. Det är både olika material för lysdioderna och lite olika sätta få fram ljuset beroende på om det röda, gröna, eller blå lysdioder. Ljuset skiftar då i färg med tiden och den vita nyansen ändras. I praktiken är det synnerligen svårt att få till rätt kombination mellan de olika färgkomponenterna. Dagens vita lysdioder gör från en blå lysdiod som omges med en fosfor som omvandlar en del av det blå ljuset till de andra synliga färgerna. Materialet till den blå lysdioden framställs från en blandning av indium, gallium och kväve (IndiumGalliumNitrid). Det kännetecknas av att det utstrålar blått ljus när energi tillförs till materialet. Den fosfor som ligger på nitridmaterialet exciteras av det blå ljuset och andra ljuskomponenter bildas. Eftersom fosfor även exciteras av ljus som ligger utanför det synliga området, det vill säga ultraviolett ljus, så blir effektiviteten högre. Dock så uppstår en del energiförluster i fosfor genom att det bildas värme istället för ljus när en del av det blå ljuset omvandlas till andra färger i det synliga området. Galliumnitrid har funnits länge, men inte i bra kvalitet. Historiskt så blev lysdioder på nitrider inte tillgängliga förrän under 1990-talet. För att komma fram till den blå lysdioden så behövde man först utveckla hur man skulle kunna tillverka materialet i hög kvalitet. Defekter gör att energin som tillförs omvandlas till värme istället för ljus. Sedan var man tvungen att komma på ett sätt att dopa materialet. Då kunde man få fram regioner med positiva laddningar och regioner med negativa laddningar. Ljuset bildas när positiva och negativa laddningar möts. Lysdioder tillverkas genom att ha olika områden i en halvledare, där ett område ger upphov till fler negativt laddade elektroner och ett annat område ger fler positivt laddade hål. Områden med extra elektroner kallas n-typ (n står för negativ), och regionerna med extra hål kallas p-typ (p för positiv). Genom att tillföra dopämnen så blir det extra elektroner och extra hål, som båda rör sig lätt i halvledaren. En halvledare med två dopade områden, där ett område har extra elektroner och ett annat område intill det första har extra hål, bildar pn-diod. När elektroner och hål möts vid gränsskiktet mellan områdena så frigörs energi. Denna energi motsvarar en karakteristisk energi som ges av materialets egenskaper. För IndiumGalliumNitrid så motsvaras den energin av blått ljus. 47

48 Den tidigt ledande forskaren inom området var Isamu Akasaki vid Meijo University som utvecklade forskningsområdet under 70- och 80-talet. Bland annat så fick han och hans grupp utveckla nya framställningsmetoder för galliumnitriden. Kopia av den reaktor som användes för att göra material med hög kvalitet. Den reaktor som användes för att göra p-typ material Nitriderna framställs på ett underlag av ett annat material, ett så kallat substrat. I glödlampor försvinner cirka 90-95% av den tillförda energin som värme istället för att ge upphov till ljus. För vita lysdioder i galliumnitrid så försvinner en del av den tillförda energin i fosforn eftersom det finns en skillnad i energi mellan blått ljus och de andra färgerna i det synliga området. Delar av det blå ljuset omvandlas till exempelvis rött ljus, och skillnaden i energi mellan blått ljus och 48

49 rött ljus blir till värme. Man beräknar att ungefär 30-50% av energin kommer ut som ljus. Men fosforn är idag inte tillräckligt effektiv för att omvandla det blå ljuset till andra färger. Det blå ljuset slår igenom och dagens lysdioder har ofta en kall blå ton, särskilt när de har en hög effektivitet. För lågeffektiva vita lysdioder används filter för att få en bättre ljuston, men då tappar lysdioden i effektivitet. De vita lysdioderna väldigt riktade eftersom ljust kommer från ett smalt gränsskikt mellan det positivt och negativt laddade området. Dessutom finns en effekt som drar ner effektiviteten. När man ökar strömmen i förhoppningen att få ut mer vitt ljus så sjunker effektiviteten på ljusomvandlingen kraftigt, vilket kallas droop. Ingen vet egentligen varför det sker och det pågår intensiva diskussioner om bakgrunden till effekten. 49

50 Ljuset kan vara väldigt riktat hos vita lysdioder. Genom att vinkla en lampa lite så försvinner ljusstrålen åt ett annat håll. Många ser framför sig effektiva vita lysdioder som ersätter glödlampan och sparar enorma mängder energi. Lysdioder finns i ficklampor, i bakgrundsbelysningen för skärmar, i mobiltelefoner och TV-apparater. Försäljningen av lysdioder ligger på flera miljarder årligen, men förväntas stiga till hundratals miljarder om man kan dra ner kostnaderna som ligger mer än hundra gånger kostnaden jämfört med glödlampan vid motsvarande ljusflöden. Vid en jämförelse så ger glödlampan ungefär 16 lumen per watt, lysrören ger mer än 100 lumen per watt, men de bästa vita lysdioderna ger runt 250 lumen per watt. Det här är dock en sanning med modifikation. En sådan effektivitet är endast vid låga strömmar, och det blir mer andel ljus istället för värme, och det är därför lysdioden inte känns varm. Vidare så används en mindre yta så att en låg ström används. När man sedan räknar om detta till motsvarande ljusflöde per watt så ser effektiviteten ut att vara högre. Men när man i praktiken ökar strömmen/effekten för att få ut mer ljus så att det ska räcka till allmänbelysning så visar sig lysdioden från sin sämsta sida: effektiviteten går ner och det bildas allt mer värme istället för ljus. För att få ut mer ljus så försöker man göra det aktiva skiktet tjockare. Svårigheten är att det kräver mer kontroll på egenskaperna i nitriden för att få 50

51 effektiv ljusemission. Många varianter har ett aktivt skikt som har flera olika skikt istället för ett tjockt. Detta ger dock ett annat problem när strömmen ökas genom att effektiviteten lättare dras ner vid högre strömstyrkor. En annan svårighet när det gäller lysdioder med IndiumGalliumNitrid är att magnesium, som används för att producera extra hål och göra områden p-typ, har en förmåga att ge mindre ljus när elektroner och hål möts i närheten av magnesium. Därför har många pn-dioder en extra barriär som blockerar elektroner från det elektronrika området (n-typ) att komma in i det p-typ dopade området där magnesiumatomerna finns. Det ökar komplexiteten och idag utforskas fortfarande olika varianter för att få fram bättre tekniska lösningar inom vita lysdioder. Ungefär halva kostnaden för en nitridbaserad LED ligger i tillverkningen av nitriden. Här kan det vara så mycket som 40% av allt material som inte kan användas på grund av defekter. Nedan visas en ny typ av struktur som baseras på kiselkarbid. Strukturen grundar sig på två tjocka skikt av kiselkarbid. Båda skiktet är dopade med en donator (som ger extra negativt laddade elektroner) och en acceptor (fler extra positivt laddade hål). Det ena skiktet är dopat med kväve (som verkar som donator) och aluminium (som verkar som acceptor), och det andra skiktet är dopat med kväve och bor (som verkar som acceptor). 51