29 - 01 - 2019

150 jaar periodiek systeem: nr. 31, Gallium, onmisbaar voor licht

 

Tekst: Marga van Zundert

 

Vanwege 150 jaar periodiek systeem besteedt chemie magazine dit jaar aandacht aan een aantal bijzondere elementen

 

Lichtgevende halfgeleider Gallium maakt ledlampen mogelijk

 

Het vrij onbekende element nr. 31, gallium, maakt een onstuitbare opmars. Want geen ledlamp brandt zonder dit metaal. Dankzij gallium zijn onze huizen, straten en sportvelden duurzaam verlicht, binnenkort groeien in de kassen de paprika’s en tomaten op led, en evenementen en tv-programma’s als Toppers in Concert en The Voice kunnen ook niet meer zonder. 

 

‘Het gaat razendsnel nu”, zegt Martin Beekhuizen, lighting designer bij Light-H-art, dat lichtplannen maakt voor bekende evenementen en tv-programma’s, waaronder de Toppers in Concert in de ArenA en talentenjacht The Voice. “Bij de laatste show van de Toppers – een feest met 1500 armaturen – gebruikten we 50 procent conventionele lampen en 50 procent led. Kleine programma’s op locatie of mobiele studio’s zijn inmiddels allemaal 100 procent led. Heel prettig, want dan heb je aan één stopcontact genoeg. Een aggregaat is niet meer nodig. Dat maakt ook dat je makkelijker iets op locatie opneemt.”

Waarom nog conventionele lampen bij een stadionconcert? “Vergis je niet hoeveel licht zo’n show vraagt. De led-spots die we gebruiken zijn 800 watt, maar ook in led is dat soms nog niet krachtig genoeg.” Light-H-art huurt de apparatuur van gespecialiseerde bedrijven. “Voor hen is het soms lastig kiezen waarin ze nu moeten investeren. Bij conventioneel licht werken we met filters om de juiste kleur te krijgen. Bij leds kan dat ook, maar je kunt nu ook kiezen voor een set ledlampen van diverse kleuren.”

Ooit was de gloeilamp een mirakel. Een druk op de knop en het licht ging branden. Geen lampolie meer, geen druipend kaarsvet, geen gas, geen lucifers. Maar een dunne, fel gloeiende metaaldraad in een glazen peer die warm licht verspreidt. Opzienbarend was het ‘elektrisch licht’, en ruim honderd jaar domineerde Thomas Edisons beroemde uitvinding onze huiskamers, straten en kantoren.

Maar de gloeilamp is passé, uit de schappen gebannen en zelfs verboden. Want er is een veel duurzamer alternatief: de led, de light emitting diode. De Europese Commissie berekende dat de ledlamp in 2020 al een energiebesparing zal hebben opgeleverd van 40 miljard kilowattuur. Dat is evenveel als het jaarlijks stroomverbruik van alle Nederlandse en Belgische huishoudens samen. Want een led gebruikt slechts 3 tot 9 procent van de elektriciteit van een gloeilamp om dezelfde hoeveelheid licht te geven én gaat twintigmaal langer mee. Bovendien verslaat de led ook alle alternatieven voor het peertje, zoals de halogeenlamp of spaarlamp, in duurzaamheid. En dat dankzij een vrij onbekend zilverwit metaal genaamd gallium (zie kader). 

 

 

Lees meer in de serie '150 jaar periodiek systeem':

Nr. 18, Argon, biedt beschermende deken

Nr. 55, Cesium, onmisbaar voor gps

Nr. 42, Niobium, fotografeert ons brein

Nr. 74, Wolfraam, diamant onder de metalen

Nr. 77, Iridium, markeert opkomst zoogdieren

 

Rekenmachines
De eerste led werd in 1907 ontdekt door een Russische natuurkundige: Oleg Losev. Maar pas na de vondst van moderne halfgeleidermaterialen in de jaren vijftig van de vorige eeuw kwam het onderzoek echt op gang. In de jaren zeventig verschenen de eerste leds op de markt, allereerst als aan/uit-indicatorlampjes, later in eenvoudige displays en als cijfers op rekenmachines. Die eerste leds waren rood, pas later lukte het om oranje, gele en groene varianten te maken – door te grasduinen in het periodiek systeem der elementen (zie kader). De blauwe led bleek de grootste uitdaging; begin jaren negentig slaagden wetenschappers daarin. En daarmee was ook wit ledlicht mogelijk, door het combineren van alle kleuren, en lag de weg open om de gloeilamp naar het museum te verbannen. Inmiddels zijn ledlampen een massaproduct en de prijzen fors gedaald. Kerstlichtjes of losse fietslampjes kosten niet meer dan een paar euro. Waarschijnlijk zijn in de meeste woonhuizen bijna alle gloei of halogeenlampen vervangen. Ook straatverlichting, stoplichten en sportveldverlichting en podiumverlichting is grotendeels led. De lampen zijn niet alleen zuiniger, maar ook compacter, veiliger, minder kwetsbaar en snel en eenvoudig te variëren in kleur. 

 

‘Het gaat razendsnel nu. Bij de laatste show van de toppers gebruikten we 50 procent led.’

 

Fotografen
In de beginjaren klaagden kopers nog over ‘koud’ licht. Leds brachten niet de sfeer van het peertje. Maar door slimme combinaties en verdere ontwikkeling zijn de tinten ‘warm’ geworden. Zelfs de meest kritische beroepsgroep als het op licht aankomt – professionele fotografen – maakt de omslag naar led. In veel fotostudio’s staan inmiddels ledlampen om de juiste belichting in te stellen, maar wordt de foto nog met ‘xenon’ geschoten. Een flitser met dit edelgas zorgt voor fel licht dat het daglicht prima benadert. Een ledflitser haalt helaas nog niet dezelfde lichtintensiteit. Toch zijn er al fotografen die met ledflitsers werken, want de moderne digitale camera heeft steeds minder licht nodig. Het duurt niet lang, verwacht de branche, voordat xenon helemaal vervangen is door gallium.

Een andere sector die omschakelt is de glastuinbouw, een sector waarin Nederland geldt als koploper en innovator. Nederland is zelfs de tweede grootste exporteur van groenten en fruit, terwijl we qua oppervlak ‘miniem’ zijn. De sector schat dat leds de energiekosten van kassen tot 60 procent zullen verlagen. De meeste kassen worden nu verlicht met hogedruk-natriumlampen, net als de klassieke flitser een gasontladingslamp. De lampen zorgen ’s avonds voor een oranje gloed over het Westland. Maar de toekomst is roze! Natriumlampen stralen een breed kleurenspectrum aan licht uit, van infrarood tot violet. Maar planten benutten niet al dat licht, bladeren reflecteren bijvoorbeeld al het groen licht (daarom zijn ze groen). Ledlampen hebben een smaller spectrum. Een ‘witte’ led bestaat altijd uit een combinatie van rode, blauwe en groene lichtpunten. In kassen kiezen telers voor een combinatie van blauw en rood. Groen is immers overbodig. Zo krijgen planten precies het licht wat ze nodig hebben om te groeien en bloeien. In het donker is de ledverlichte kas daarom roze. 

 

Ledlampen zijn niet alleen zuiniger, maar ook compacter, veiliger, minder kwetsbaar en snel en eenvoudig te variëren in kleur

 

Verticale landbouw
Een groot voordeel van de led is dat de lamp niet heet wordt, maximaal 27 graden versus ruim 300 graden voor een natriumlamp. Dat betekent dat er minder koeling nodig is in de kas, maar ook dat lampen dichter boven (en eventueel ook naast) planten kunnen hangen. Dat heeft experimenten met verticale landbouw aangejaagd: het gestapeld kweken van gewassen in ‘voedselflats’. Een futuristisch idee dat vooral op plekken waar grond schaars en duur is, zoals in miljoenensteden, kan aanslaan. Voordelen zijn de lage transportkosten, minimaal gebruik van water, nutriënten en pesticiden, en onafhankelijkheid van het weer of seizoen. Wanneer wind-, water- of zonne-energie zorgen voor de stroom, is verticale landbouw ook een zeer duurzame manier van voedselvoorziening.

In Amsterdam experimenteert het bedrijf GROWx met verticale landbouw. Het levert zo’n twintig verschillende kiemgroentes (broccoli, mosterd, basilicum, et cetera) aan specialiteitenrestaurants in de stad. Door met licht te ‘spelen’ kunnen telers de groei van gewassen ook sturen. Bij veel rood licht schieten planten vooral in de lengte uit om de zon te bereiken; ze denken in de schaduw te staan. Bij meer blauw licht gaan planten juist in de breedte groeien om zoveel mogelijk licht op te vangen. Ook smaak en vitamine gehaltes blijken beïnvloedbaar. Zo teelde Wageningen UR al tomaten met extra vitamine C door ze bij te lichten. Wereldwijd experimenteren tuinbouwonderzoekers en lampontwikkelaars nu welke invloed verschillend ledlicht heeft om tot een optimaal ‘lichtrecept’ te komen voor een gewas. Overigens heeft ook een andere groep de led-ontwikkeling opgepikt: de wiettelers. Je stroomverbruik valt minder op, je kunt stapelen, smeltende sneeuw verraadt je wietzolder niet en ook hier kan het juiste licht opbrengst en smaak verbeteren.

In de showbusiness is voor sommige presentatoren de omschakeling naar ledlicht wel even wennen, vertelt Beekhuizen van Light-H-art. “Anderen vinden led juist prettiger. Het is een beetje een kwestie van smaak.” Maar je kunt toch precies hetzelfde licht maken? “Technisch gezien inderdaad. En toch zie ook ik meteen of er met led of conventioneel licht wordt gewerkt. Het is moeilijk een vinger op te leggen waar dat in zit. Maar geef mij maar led. Niet alleen omdat het duurzamer is, je kunt er veel meer mee spelen. Als je een gloeilamp dimt, wordt het licht warmer. Bij een ledlamp kun je kiezen: minder licht van dezelfde kleur of net als bij die gloeilamp een tikje warmer.” 

 

De glastuinbouwsector schat dat leds de energiekosten van kassen tot 60 procent zullen verlagen

 

Zo werkt een Led
Een led is een elektronische schakeling. In zeer dunne lagen halfgeleidermateriaal wordt stroom direct omgezet in licht: elektroluminiscentie. De gebruikte halfgeleidermaterialen zijn altijd een combinatie van elementen uit groep 13 (aluminium, gallium, indium) en groep 15 (stikstof, fosfor, arseen en antimoon) van het periodiek systeem. De meest gebruikte zijn: InGaN, AlInGaP en AlGaAs. Gallium speelt dus een hoofdrol; het is ook vaak de goedkoopste materiaalkeuze. Elke led telt in ieder geval drie lagen van deze halfgeleidermaterialen, elk enkele honderden nanometers dun. Ze worden op elkaar gedampt, net als bij computerchips. De eerste halfgeleiderlaag (n-type) is rijk aan ‘losse’ elektronen. Dat komt omdat de stof ‘gedoopt’ is. Er zijn kleine hoeveelheden silicium of germanium aan de laag toegevoegd: elementen uit groep 14 met net één elektron meer in de buitenste schil dan het bulkmateriaal. De ‘vreemde’ moleculen passen zich aan aan hun omgeving. Maar om in het kristalrooster te passen, zal het extra elektron gaan rondzwerven. De derde laag (p-type) is ‘tegengesteld’ aan de eerste. Deze laag is gedoopt met zinkatomen uit groep 12, die juist een elektron minder bezitten. Zo ontstaan er positieve ‘gaten’. Wanneer er stroom door de schakeling loopt combineren gaten en elektronen in de tussenliggende, ongedoopte laag. Dat levert energie op die vrijkomt als licht. Door slim te spelen met de hoeveelheid doping, combinaties van elementen en lagen lukt het om alle kleuren licht te produceren, van rood tot violet. 

 

Gallium speelt dus een hoofdrol; het is ook vaak de goedkoopste materiaalkeuze.

 

Uit China
De ledrevolutie verdubbelde de afgelopen tien jaar de wereldwijde vraag naar gallium tot circa 400 duizend kilo. Het metaal komt niet in pure vorm voor in de bodem, maar schuilt in kleine hoeveelheden (50 parts per million) in zink- en aluminiumertsen. Het wordt dan ook vooral gewonnen als bijproduct van aluminium. Een kilo kost momenteel zo’n 270 euro.  Australië, het Afrikaanse Guinee en China bezitten de grootste bekende voorraden van het element. En de United States Geological Survey (USGS) schat de winbare hoeveelheid op 560 miljoen kilo gallium. De wereld kan dus nog honderden jaren vooruit. Desondanks prijkt gallium op de lijst critical raw materials van de EU. Dat komt omdat China momenteel hoofdleverancier is. Australië mijnt het metaal niet meer. Andere leveranciers zijn Duitsland, Oekraïne en Kazachstan. China levert ruim 73 procent van het gallium dat Europa gebruikt. Omdat het land een beruchte reputatie heeft op het gebied van grondstoffenpolitiek, staat gallium te boek als ‘kritiek’. Want wanneer China besluit de productie te beperken, kan er een tekort ontstaan. ‘Bedrijven doen er goed aan een voorraad op te bouwen of op een andere manier te anticiperen op een mogelijk tekort of sterke prijsstijging’, aldus de EU.

 

Spaarlamp of Led?
Bekend is dat de ledlamp veel zuiniger is dan een gloeilamp of halogeen. Maar hoe zit het met de spaarlamp? MilieuCentraal meldt dat de fluorescentielamp (tl- en spaarlamp) ongeveer even zuinig met stroom is, maar een led gaat twee- tot driemaal langer mee. Ook wordt de led als duurzamer gezien omdat een spaarlamp giftig kwik bevat. Toch bevatten ook leds kleine hoeveelheden schadelijke metalen, zoals lood en arseen. Geeft een ledlamp na een tiental jaar de geest, dan hoort hij dus niet bij het restafval maar in de bak voor klein elektronisch afval.

 

Verdwijnende en buigende lepel
Gallium is een zilverwit metaal. Het element werd in 1875 ontdekt door de Franse chemicus Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran. Dmitri Mendelejev, grondlegger van het periodiek systeem der elementen, had het bestaan zes jaar eerder voorspeld. Zijn systeem vertoonde namelijk een ‘gat’ voor een metaal lijkend op aluminium en net wat zwaarder dan zink. Zuiver gallium is een van de weinige stoffen die uitzetten bij stollen en gallium is het enige metaal dat ‘smelt in je hand’ (smeltpunt: 29,4 graden Celsius). Een bekende grap is de theelepel van gallium. Wie ermee roert, ziet de lepel in de thee verdwijnen. Gallium is niet giftig en heeft voor zover bekend geen enkele biologische functie. Het metaal wordt vooral toegepast in elektronica, in leds, lasers en zonnecellen, maar zit ook in thermometers als alternatief voor kwik. Een lepel van (gedeeltelijk) gallium is mogelijk de verklaring voor het buigen van lepels door Uri Geller.

 

De omslag naar led spaart energie uit, maar voorkomt ook lichtvervuiling

 

Sterren boven Chemelot
In 2018 maakte ook industriecomplex Chemelot bij Geleen de omslag naar ledverlichting. Dat betekende meer dan de circa 20.000 ‘peertjes’ verwisselen. Op een industrieel complex gelden uiteraard speciale veiligheidseisen. De verlichting moet extra robuust zijn, vonkvrij, zuurresistent en betrouwbaar. Er is gekozen voor ‘slimme’ verlichting. Elke lamp bevat draadloze sensoren die ‘zien’ of lampen in de buurt branden, of het omhulsel schoon is en de lamp zelf de juiste hoeveelheid licht levert. De ledverlichting is ontworpen door een gespecialiseerd bedrijf, PSPL, en het licht wordt nu geleased door de bedrijven van het servicebedrijf. Chemelot baadt nu ’s nachts niet langer standaard in een zee van licht. Lampen zijn aan waar en wanneer dat nodig is. En springen bij een alarmmelding uiteraard automatisch aan. De omslag naar led spaart energie uit, maar voorkomt ook lichtvervuiling. ‘De sterrenhemel is weer zichtbaar’, stelt Chemelot.

 


Lees meer over dit onderwerp via de tag(s):
Chemie Magazine
Periodiek Systeem

Onderdeel van dossier(s):