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Ritratto di Shuji Nakamura. Photo © Matt Perko

Le nuove frontiere dell’illuminazione

By Elisa Belloni
Pubblicato il
Maggio 2024

Era il 2014 quando Shuji Nakamura riceve il premio Nobel insieme a Isamu Akasaki e Hiroshi Amano per l’invenzione del LED blu. Da allora la ricerca va avanti con nuove scoperte e applicazioni. L’autrice ha incontrato il prof. Nakamura per approfondire con lui le nuove tecnologie per l’illuminazione.

Shuji Nakamura al lavoro in laboratorio. Photo © Matt Perko

Le applicazioni di illuminazione dominano il mondo della scienza e della tecnologia ormai da decenni e, in particolare, dall’invenzione del LED (Light Emitted Diode) e a Shuji Nakamura va il merito dell’invenzione di questa grande tecnologia. Nakamura ha iniziato a sviluppare il LED blu nel 1988 ed è riuscito a creare nitruro di gallio di alta qualità e nel 2014, insieme a Isamu Akasaki e Hiroshi Amano, ha ricevuto il Premio Nobel per aver inventato una nuova sorgente luminosa ad alta efficienza energetica – appunto il LED blu –, e per i grandi benefici ambientali che ne derivano.

Utilizzando il LED blu insieme ai LED rossi e verdi, eccitando un componente di fosforo con luce blu in modo che brilli nelle lunghezze d’onda rosse e verdi si ottiene luce bianca. Negli ultimi 20 anni la tecnologia LED è diventata sempre più popolare e l’industria dell’illuminazione ha continuato a registrare una crescita continua e,

Ritratto di Shuji Nakamura. Photo © Matt Perko

oggi, i LED hanno enormi potenzialità e sono considerati una soluzione promettente anche in caso di scarsa accessibilità alle reti elettriche perché le lampade possono essere alimentate con energia ottenuta da fonti rinnovabili come il fotovoltaico. La possibilità di avere un flusso luminoso con uno spettro simile a quello del sole rende i LED le migliori soluzioni in termini di comfort visivo e ne permette l’impiego anche per la coltivazione in serra.

Oggi, con la ricerca, nuove tecnologie luminose sono in grado di fare molto di più che illuminare una determinata superficie. Alcuni fungono addirittura da allarmi, sono telecomandati e cambiano colore a seconda delle preferenze dell’utente; l’applicazione dei LED alla trasmissione wireless dei dati, con l’introduzione del Li-Fi, ha aperto nuovi orizzonti anche nel campo delle comunicazioni.

Nakamura detiene più di 400 brevetti, ha pubblicato più di 900 articoli e sta ancora lavorando allo sviluppo di nuove applicazioni di illuminazione presso l’Università di Santa Barbara (California, USA). Attualmente è impegnato nello sviluppo di sorgenti di luce laser innovative con l’obiettivo di creare sorgenti di luce bianca composte da diodi laser basati sul nitruro di gallio. Tra i sistemi di illuminazione più innovativi, l’illuminazione laser allo stato solido presenta, infatti, numerosi vantaggi rispetto alla tecnologia LED, tra cui l’elevata intensità luminosa (fino a dieci volte più dei LED), l’efficienza luminosa, i fasci di luce coerenti nello spazio e con bassa luce dispersa nell’ambiente, la possibilità di gestire il flusso ottico, consumi energetici minimi e lunga durata. Tali sistemi laser trovano applicazione anche nel settore automobilistico, ad esempio con i fari che consentono fino a un chilometro di visibilità lungo percorsi stradali caratterizzati da scarsa visibilità e nebbia.

Nakamura è sia uno scienziato che un manager capace di fare della scienza uno strumento di progresso sostenibile per il benessere della comunità, la cui strategia e un modello da emulare da parte delle università italiane per coniugare il mondo della ricerca con quello industriale. Nel 2019 gli è stato conferito il Dottorato Honoris Causa in Energia e Sviluppo Sostenibile al Dipartimento di Ingegneria, CIRIAF – Centro Interuniversitario di Ricerca su Inquinamento e Ambiente “Mauro Felli” di Perugia, citta fortemente proiettata al futuro. Una scelta che il professore Nakamura ha molto apprezzato, al punto di decidere di entrare a far parte del corpo docenti del corso di dottorato insieme ad altri prestigiosi professori universitari stranieri.

Basandosi sui suoi studi, un gruppo di ricercatori dell’Università di Perugia sta lavorando a nuove applicazioni in ambito illuminotecnico studiando non solo il consumo energetico degli apparecchi di nuova generazione, ma anche i valori di illuminamento/luminosità e i livelli di uniformità da mantenere sulle strade/sentieri nel rispetto delle normative di riferimento. È stato ideato un sistema laser-blu scanner e progettato e sviluppato un primo prototipo con l’obiettivo finale di caricare materiali fotoluminescenti incorporati nelle pavimentazioni dei percorsi, le cui prestazioni tecniche sono in fase di approfondimento mentre i suoi bassi consumi energetici e l’elevata uniformità raggiunta sulle superfici illuminate sono già evidenti.

Anche i materiali fotoluminescenti presentano promettenti applicazioni nel futuro della luce e sono oggetto di studio presso i laboratori di Fisica Applicata all’Ambiente: i pigmenti emettono luce per assorbanza di fotoni e la radiazione dovuta al decadimento radiativo degli elettroni eccitati e in grado di persistere per un lungo periodo. Sono già state utilizzate vernici e piastrelle di vetro con drogaggio fotoluminescente per risolvere i problemi di visibilità direzionale nei marciapiedi pedonali.

Nella seguente intervista, il professor Nakamura ha gentilmente risposto ad alcune domande e spiegato gli aspetti più interessanti delle sue attività di ricerca con particolare attenzione alle tendenze future nello scenario della transizione energetica mondiale.

Veduta della Storke Tower all’Università UC di Santa Barbara, California. Photo © Matt Perko
Veduta del campus del Polo di Ingegneria dell'Università degli Studi di Perugia. Photo © Elisa Belloni

Professor Nakamura, quando ha capito che l’illuminazione a LED blu sarebbe stata una grande scoperta?

Quando il LED blu con struttura a doppio etero (DH) InGaN a giunzione p-n è stato sviluppato dal nostro gruppo di ricerca nel 1992, la luminosità era cento volte maggiore di quella dei tradizionali LED MIS GaN a semiconduttore isolante metallico fino ad allora venduti in Giappone. In quel momento ho capito che sarebbe stata una grande invenzione.

Ci sono differenze in Giappone e negli Stati Uniti in termini di attività di ricerca?

In Giappone ci sono così tante normative che limitano la libertà di ricerca e il numero di start-up e, a causa di queste rigide disposizioni, è molto difficile avviare una società. Negli Stati Uniti, rispetto al Giappone, non viene applicata quasi nessuna regolamentazione. Gli Stati Uniti considerano la “libertà” la cosa più importante.

Quali sono le attività di ricerca e gli studi più recenti e importanti che sta conducendo ora?

Le mie più recenti e attuali attività di ricerca hanno come oggetto sistemi laser a emissione di superficie a cavita verticale a base di nitruro di III (VCSEL) e LED ultravioletti (UV) e Diodi Laser (LD). Usando i VCSEL, potremmo ridurre il costo degli LD blu e verdi. I LED e gli LDUV attualmente disponibili non sono molto efficienti e questa è la causa principale della loro scarsa diffusione e applicazione.

Secondo lei, qual è l’utilizzo futuro più promettente della luce LED blu?

A mio avviso, il suo utilizzo finalizzato a ottenere luce bianca per applicazioni ottiche è il campo più promettente a causa della impareggiabile efficienza raggiunta e delle gamme di colori più ampie che si possono ottenere rispetto ad altre tecnologie.

E l’illuminazione basata su laser? Che tipo di ricerca sta facendo nella tecnologia laser in questo momento? Quali saranno le sue applicazioni future? Pensa che il laser sostituirà il LED in futuro?

L’illuminazione basata sul laser sta gradualmente aumentando l’efficienza dei sistemi. Attualmente, l’applicazione principale dell’illuminazione laser è per i fanali delle automobili, ma nel prossimo futuro l’efficienza sarà probabilmente largamente superiore a quella dell’illuminazione a LED. Se il costo diventerà paragonabile a quello dell’illuminazione a LED, in futuro, l’illuminazione laser avrà un mercato più ampio. All’Università di Santa Barbara in California stiamo sviluppando LED a base di nitruro III con lunghezza d’onda diversa per possibili applicazioni del computer quantistico come sorgente di luce laser.

Illuminazione a laser. Photo courtesy LaserAid LTD S.r.l.

Durante i suoi studi ritiene che eventi speciali o persone importanti che ha incontrato abbiano contribuito in modo significativo al suo successo? Se sì, quali?

Una delle mie più grandi invenzioni è stato il reattore MOCVD (deposizione di vapore chimico metallo organico) a due flussi che ha contribuito all’invenzione del LED blu e del diodo laser ad alta efficienza. Lavoravo al perfezionamento del reattore giorno dopo giorno, poiché la qualità della crescita epitassiale del GaN era molto scarsa. In quel periodo ero davvero stanco e sono andato a una conferenza di fisica applicata in ambito domestico per rilassarmi un po’. Un professore stava parlando della crescita di AlN usando il suo reattore MOCVD fatto in casa, e improvvisamente, ho avuto l’idea dell’applicazione Two-Flow MOCVD proprio durante il suo discorso!

Nello scenario di transizione energetica mondiale e considerando il potenziale delle rinnovabili quali vettori e sistemi energetici pensa che saranno i migliori per il nostro futuro?

Considerando l’enorme domanda di energia dovuta all’aumento della popolazione mondiale, a lungo termine credo che la tecnologia della fusione nucleare diventerà sicura, pulita ed economica. Recentemente, il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) negli Stati Uniti è riuscito nella prima accensione della fusione laser raggiungendo un rendimento del 150%. Ora dobbiamo migliorare ulteriormente la tecnologia della fusione nucleare affinché il sistema diventi commerciale. Inoltre, nel breve termine, il solare PV e l’eolico diventeranno sempre più fonti di energia economiche vantaggiose.

Quali consigli o suggerimenti importanti vuole dare ai giovani ricercatori nei settori dell’energia, dell’elettricità e della sostenibilità per ottenere rapidamente risultati positivi?

La cosa più importante è ottenere buoni risultati sperimentali. Concentrati e pensa al motivo per cui hai ottenuto un risultato durante un esperimento. Ciò che pensi dei tuoi risultati sperimentali e più importante di quello che si è ottenuto ed e stato scritto in precedenti articoli scientifici o di quello che è riportato nei libri di testo, perché la tua visione e il tuo pensiero sono unici. La tua idea originale e la più importante per ottenere una svolta! Non seguire quello che stanno già facendo tutti gli altri!

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