Светодиоды будущего: освещение, связь и энергия

Ученые из Университета Оулу видят будущее, где светодиодное освещение выходит за рамки простой функции подсветки. Оно способно безопасно и эффективно передавать данные, а также служить устойчивым источником энергии для умных устройств.

В современных городских условиях освещение повсеместно – в домах, офисах, больницах и на производстве. Но что, если этот видимый свет сможет не только освещать, но и передавать информацию, а также питать устройства?

К 2035 году белые светодиоды, по прогнозам, будут обеспечивать около 95% всего внутреннего освещения в мире. Благодаря их способности к быстрому и легкому управлению, в отличие от традиционных источников света, исследователи активно изучают возможности расширения функционала осветительных систем.

В Университете Оулу, в рамках проекта SUPERIOT под руководством профессора Маркоса Каца, специалиста по исследованиям 6G, изучаются уникальные преимущества света. Он предлагает скорость и безопасность, недоступные для радиосвязи, и при этом не создает помех для радиооборудования.

«Разработка световой связи коренится в принципах устойчивого развития. Мы исследуем, как существующая инфраструктура, например, освещение, может использоваться по-новому», – отмечает профессор Кац. В основе такой системы лежит идея использования энергии, затрачиваемой на освещение, для одновременной передачи информации.

В отличие от современных мобильных сетей, базирующихся на радиоволнах, видимая световая коммуникация (VLC) использует видимый свет для передачи данных. Дома такая технология может заменить Wi-Fi на Li-Fi (Light Fidelity). Передатчиком может стать обычная светодиодная лампа, например, настольная, которая одновременно будет функционировать как роутер, передавая информацию на принимающее устройство.

Профессор Кац сравнивает этот процесс с азбукой Морзе: «Светодиодная лампа модулируется, чтобы мерцать, и приемник интерпретирует это мерцание. Когда свет включен, приемник считывает 'единицу', когда выключен – 'ноль'». Компьютер или смартфон декодирует световые сигналы, причем мерцание происходит настолько быстро, что человеческий глаз его не воспринимает, видя лишь ровный свет.

Для обеспечения двусторонней связи может использоваться невидимый свет, например, инфракрасный. Это позволяет передавать данные незаметно, что удобно для повседневных задач, таких как отправка электронной почты. «Было бы отвлекающим, если бы видимый белый свет излучался телефоном или компьютером. Инфракрасный свет позволяет передавать данные дискретно», – поясняет Кац.

Команда Каца разрабатывает световую связь для сред, где радиосигналы могут создавать помехи чувствительному оборудованию, включая больницы, фабрики и самолеты. В больницах использование телефонов ограничено из-за риска нарушения работы медицинских приборов. Аналогично, на самолетах телефоны требуют включения авиарежима. «Со светом такой проблемы нет. Наша цель – чтобы в будущем устройства могли гибко переключаться между световой и радиосвязью в зависимости от окружающей среды», – говорит Кац.

Безопасность – еще одно важное преимущество. Световой поток данных может быть получен только тем, кто физически находится в одном пространстве с источником. «Когда источник света находится в закрытом помещении, никто снаружи не сможет перехватить сигнал», – подчеркивает Кац. Он отмечает, что свет не заменит радиосвязь, а дополнит ее, обладая как явными преимуществами, так и ограничениями. Например, для передачи фото с похода, где нет уличного освещения, по-прежнему придется полагаться на радиоволны.

Эффективная световая связь требует прямой видимости между передатчиком и приемником. «Если палец случайно закроет световой датчик смартфона, соединение ослабнет или прервется, и устройство автоматически переключится на радиоволны», – объясняет Кац.

Помимо передачи данных, свет играет еще одну перспективную роль в контексте проекта SUPERIOT, направленного на создание более устойчивого Интернета вещей (IoT). В будущих умных городах все больше устройств будут автономно собирать и передавать данные об окружающей среде.

«Цель состоит в том, чтобы устройства могли питаться от окружающего светодиодного света, используя крошечные солнечные элементы вместо батарей», – говорит Кац. «Это может позволить отказаться от огромного количества одноразовых батарей. Устройства IoT, мониторящие среду, потребляют так мало энергии, что могут работать исключительно от света».

Устойчивость также достигается за счет печати электроники. Многие современные устройства, от смартфонов до датчиков, используют компоненты из редких материалов. Команда Каца ищет способы их производства с использованием значительно меньшего количества ресурсов.

«Наше видение – печать полноценных IoT-устройств. Готовый продукт будет представлять собой наклейку размером не больше банковской карты, способную выполнять свои функции в рамках Интернета вещей», – делится профессор. Такая напечатанная метка могла бы отслеживать температуру или влажность в офисе и автоматически управлять вентиляцией. Или, в более бытовой ситуации, на упаковке молока может быть напечатана этикетка, которая в реальном времени обновляет цену и напоминает покупателю о необходимости вернуть отозванную партию.

Проект также разработал печатные IoT-устройства для больниц. Они могут использоваться для отслеживания местоположения оборудования и персонала, а также для мониторинга самочувствия пациентов в режиме реального времени. «Датчик на пациенте может мгновенно отправить сигнал медсестрам в случае падения или резкого повышения температуры», – отмечает Кац.

Эти печатные IoT-устройства воплощают весь потенциал света. «Они могли бы использовать как радио-, так и световую связь для передачи данных, оставаясь безопасными даже в средах, чувствительных к радиоволнам. При этом они будут собирать энергию от окружающего света», – заключает профессор.