Beszámoló egy csillagászati vonatkozású munkáról: közvilágítás tervezése a Mauna Kea árnyékában – Szalontai Tibor

2021. június 9-én egy eddig még példa nélküli felkérést kapott a bécsi cégünk (HEI Solar Light), ahol mint senior lighting engineer dolgozom. Nevezetesen, hogy tervezzünk napelemes közvilágítást egy, a hawaii Nagy Sziget (The Big Island) északnyugati partján fekvő, Hapuna Beach Resort nevű nyaralókomplexum parkolójához. A Google térkép így ábrázolja a helyet:

Részletesebben lásd a környéket itt: https://www.google.com/maps/@19.992259,-155.8239263,493m/data=!3m1!1e3

Ilyen jellegű felkérések nálunk mindennaposnak számítanak, lévén a cégünk fő profilja a napenergiával működő közvilágítási lámpák fejlesztése és gyártása, valamint világszerte a legkülönbözőbb közvilágítási projektek tervezése, a munkálatok helyszíni levezénylése.

Amitől különleges ez a feladat, az a kiírásban rögzített, a kibocsátott fény összetevőire vonatkozó követelmény! A 400 nm és 700 nm közötti hullámhosszból (ez maga a látható fény) – a lámpatestek teljesítményétől függetlenül – a fényáram csupán 2%-ig tartalmazhat kék (400-500 nm) összetevőket, valamint 0,0% lehet a lámpa felfelé irányuló kisugárzása, amit szükség szerint árnyékolólapokkal kell szavatolni.

A felkérés a helyi disztribútorunktól érkezett, Mark K. Sakamoto úrtól (Sunburst Design), Honoluluból. Kiderült, hogy a Nagy Szigeten 1988 óta különlegesen szigorú előírások vonatkoznak az összes kültéri mesterséges fényforrásra. A sziget elkötelezett a tudomány és kiemelten a csillagászat támogatásában, ezért a fényszennyezést a lehető legalacsonyabb szinten akarja tartani, melyet törvényileg is garantál. Minden, a rendeletben szabályozottól eltérő fényforrást telepítőt/használót esetenként 500 USD-s bírsággal szankcionálnak.

Érdekességként megemlítem, hogy az USA változatlanul a brit birodalmi mértékegységeket használja, a fénysűrűséget fc-ben (foot-candela) mérik cd/m² helyett, ugyanakkor a lux (lumen/m²) ott is elterjedt. Itt a gyertyán (candela) ne a teamécsest értsétek, ez egy referenciagyertya, ami leginkább egy vaskos templomihoz hasonlítható.

A kivételes szigor oka az, hogy a hawaii Nagy Sziget ad otthont a Mauna Loa (3400 m) és a Mauna Kea (4200 m) vulkáni kúpokra telepített obszervatóriumoknak. Számos óriási csillagászati teleszkóp, valamint egy atmoszféra-megfigyelő merőállomás található rajtuk.

Bátran kijelenthető, hogy a hawaii Nagy Sziget “a csillagászat egyik Mekkája” (idézet: Dr. Csizmadia Szilárd).

A Mauna Kea-n működő távcsövek listája (hullámhossztartomány, elnevezés, távcső szabad nyílásának átmérője méterben, fenntartó intézet megnevezése, üzembeállítás éve; forrás: University of Hawaii):

A Mauna Loa-n működő obszervatóriumok, merőállomások:

• Naptevékenységet megfigyelő obszervatórium (1978)

• Légkörmegfigyelő mérőállomás (1958)

A közvilágítási lámpák leghatékonyabb fényforrásai a technológia mai állása szerint a LED-ek (fényt kibocsátó diódák). Mi is ezek köré fejlesztjük a termékeinket, immár 2009 óta. Mostanra szinte teljesen kiszorította a szilárdtest-fényforrás a hagyományos Edison-féle izzókat és a legkülönfélébb gázokkal töltött fénycsöveket.

A műszaki paraméterekben rendszerint a fény színhőmérsékletét (Kelvinben), valamint a színvisszaadási indexét (CRI) adják meg követelményként egy-egy munka kiírásakor.

Sokan a meleg (2700 K – 3000 K) színhőmérsékletű fényt kérik, mások a természetes fényhez hasonlót (4000 K – 4500 K), vagy nappali fényt (5000 K – 6000 K), egyesek pedig csakis a legolcsóbbat, a hideg fehéret (6000 K – 7000 K). Zalaegerszegen is az utóbbival találkozhattok a közterületek többségén: ~ 6500 K-es, rendkívül alacsony CRI-s közvilágítás lett legutóbb telepítve; alighanem gazdasági megfontolásokból. Ezen belül a tenderek a fényspektrumra vonatkozó további követelményt nem támasztanak. Ettől különleges ez a felkérés.

A fenti kritériumok szerint egyetlen gyártó sem kínál közvilágítási lámpákat, egyedi, erre a feladatra finomhangolt megoldásra van szükség.

Csupán néhány félvezetőgyártó kínál olyan magas hatásfokkal (ηφ ≥ 180 lm/W) LED-et, amelyből egy kizárólag napenergiával működtetett világítás tervezhető. A fehér fény eléréséhez a gyártók a királykék színt kibocsátó diódák (chip) felületét egy további réteggel, úgynevezett fotoaktív foszforral vonják be, amely a gerjesztés hatására maga is felfénylik, de már a számunkra élvezhető fehér fény sávjában. Ez a megoldás nem új, korábban a gázkisüléses fénycsövek feltalálása után (1926) terjedt el. A fotoaktív foszfor többféle színben elérhető, ezek keveréke határozza meg a kibocsátott fény színhőmérsékletét.

Pont itt van a bökkenő, a hawaii Nagy Sziget kék-mentes fényre vonatkozó követelményeinek megfelelő nem létezik. Nagy teljesítményű LED, 2200 K-nél alacsonyabb színhőmérséklettel, sorozatgyártásból már nem beszerezhető!

Itt jön a képbe a kapcsolati háló. Tudvalevő, hogy minden gyártás során van egy úgynevezett gyártási tűrés. Jelen esetben +/- 100 K a tolerancia, vagyis az adott alkatrészcsomag gyári kódja egy egyszerű ellenőrzéssel elárulja, hogy pontosan hol helyezkedik el a színskálán.

Néhány telefonhívás után meg is lett a tűrés legszéléről származó AC3-as kódjelű alkatrésztekercs. Az automatizált gépi beültetést lehetővé téve, 1000 db-os tekercskiszerelésben csomagolják ezeket az alkatrészeket.

A gyártók a LED-eket stabilizált hőmérsékleten, tipikusan 85 °C-on és stabilizált áramerősség (If = 1 050 mA) mellett mérik, osztályozzák. Egy ismert fizikai jelenség, a colour-shift (színelcsúszás) kihasználásával, ami a hőmérséklet és az áram csökkentésével akár +/- 250 K-nel is módosíthatja a színhőmérsékletet, igyekeztem a kék fénykomponensek további csökkentését elérni. Egy jól megtervezett LED-lámpatest üzemmeleg állapotban akár Ta = 35 °C környezeti hőmérséklet esetén sem engedi 50°C fölé melegedni a chipmagot, valamint csupán egy parkolót kell kivilágítanunk, nem egy stadiont. Elég nekünk 20 watt teljesítmény is oszloponként! A munkapont finomhangolásával sikerült a kékfény-tartalmat a teljes fényáram 10%-ára leszorítani. Ez önmagában még mindig nem lenne elég a követelmény teljesítéséhez. Itt jön a képbe maga a parkoló. A burkolathoz felhasznált aszfaltkeverék specifikációja 23%-os fényvisszaverést garantál. Ezt figyelembe véve a parkolóvilágítás teljes fényáramából csupán 2,3% lesz a visszavert arány 400 nm és 500 nm között.

A fentieket részletesen dokumentálva elkészítettem a tervjavaslatunkat, ügyelve arra, hogy csakis a célfelületet világítsam meg, a lehető legkevesebb fényt sugározzak ki a környezetbe. Benyújtottuk a tervdokumentációt, bár nem nagyon bíztam abban, hogy megnyerhetjük a munkát.

Legnagyobb meglepetésemre 5 héttel később tájékoztattak bennünket, hogy a Hawaii Egyetem Fizika és Csillagászati Tanszéke jóváhagyta a javasolt fényforrást és felkértek minket a részletes telepítési tervrajzok elkészítésére.

Remélem, hogy néhány hónap múlva a már elkészült projektről egy helyszíni beszámolóval tudok szolgálni!

Az oldal főszerkesztőjének (Cs. Sz.) megjegyzése: a tavalyi és idei ausztriai VCSE-s észlelőhétvége helyszíne környékén mintegy 40 faluban a közvilágítást a cikk szerzője, Szalontai Tibor mérnök tervezte (sajnos, a legnagyobb közeli településen, Deutschlandsbergben éppen nem). Ez további garancia a sötét égboltra. A Hawaii-projekt elfogadásához gratulálunk, sok sikert kívánunk a sikeres megvalósuláshoz!