Het vuurvliegje is de perfecte biolamp


Foto: Moyan Brenn

In tegenstelling tot honden en katten kunnen mensen slecht zien in het donker. Dankzij onze vindingrijkheid hebben we daar een mouw aan gepast en verjagen we het donker met lampen. Maar al deze verlichting vormt een aanzienlijk deel van de elektriciteitsrekening. Hoewel deze post de laatste jaren is afgenomen dankzij de introductie van zuinige spaarlampen en ledverlichting, kan het altijd beter. En daar kan de vindingrijkheid van de natuur bij helpen.

In de natuur zijn verschillende soorten organismen die licht kunnen produceren. Dit verschijnsel wordt bioluminescentie genoemd. Het bekendste voorbeeld is het vuurvliegje, dat overigens een kever is en geen vlieg. Het biologische licht heeft verschillende functies zoals het aantrekken van een partner, het lokken van een prooi of het afschrikken van roofdieren door een plotselinge lichtflits. Het licht ontstaat door een chemische reactie tussen het pigment luciferine en zuurstof, waarbij het enzym luciferase als katalysator optreedt.

Om lampen energiezuiniger te maken moet het rendement omhoog. Lampen zetten slechts een deel van de gebruikte elektriciteit om in licht. De rest komt vrij als warmte, zoals bij een ouderwetse en weinig efficiënte gloeilamp duidelijk is te voelen. Bioluminescentie heeft een hoog rendement en daarom werken onderzoekers aan een soort vuurvlieg-ledlampjes. Hierbij wordt het organische luciferine en luciferase gecombineerd met anorganisch halfgeleidermateriaal om een efficiënte lichtbron te produceren. De onderzoeken lopen nog volop. Het zal dan ook nog even duren voordat deze bio-lampen in de winkel te krijgen zijn.

Een andere manier om de efficiëntie van een led (light-emitting diode) op te krikken, is het voorkomen van interne reflectie. Door weerkaatsing in de lamp treedt een deel van het geproduceerde licht niet naar buiten en is dus niet functioneel. Alle lichtstralen die de grenslaag tussen het halfgeleidermateriaal en de omringende lucht treffen onder een hoek die groter is dan de zogenoemde kritische hoek, worden gereflecteerd. De grenslaag werkt dan als een spiegel. Hoe meer licht intern wordt weerkaatst, hoe lager het rendement van de led.

Ook het gespecialiseerde lichtorgaan in het achterlijf van vuurvliegjes heeft te maken met interne reflectie. Maar daar heeft de natuur een mouw aan gepast, blijkt uit het onderzoek naar de femme fatale vuurvliegen. Deze kevers danken hun naam aan de vrouwtjes die met lichtflitsen de mannetjes van andere soorten vuurvliegen lokken en oppeuzelen.

Het licht schijnt door een transparant stuk van het pantser van het insect. Theoretisch gezien zou zo’n 80 procent van het licht worden gereflecteerd, maar in de praktijk is dat veel minder. Het lichtdoorlatende pantser bestaat uit kleine ‘tegeltjes’ die bij andere insecten netjes aansluiten en een vlak ‘plaveisel’ vormen. Bij de vuurvliegjes liggen de tegeltjes echter schuin en doen denken aan de scherpe randen van een zaagtanddak van fabriekshallen.

Het blijkt dat deze constructie zorgt voor verstrooiing en afbuiging van het geproduceerde licht. Hierdoor verandert de hoek van de lichtstralen die normaal gesproken gereflecteerd zouden worden naar een waarde onder die van de kritische hoek en straalt het licht toch naar buiten. Dit verhoogt het rendement met maar liefst 47,5 procent.

Het is vrij gemakkelijk om op een bestaand led hetzelfde patroon aan te brengen door het halfgeleidermateriaal te voorzien van een lichtgevoelige laag en er met een laser het zaagtandpatroon in te etsen. Omdat een led nog meer reflectie ondervindt dan de vuurvlieg, is de rendementsverhoging zelfs 55 procent. Doordat de aanpassing relatief eenvoudig is, zouden deze bio-geïnspireerde lampjes binnenkort wel in de winkel kunnen liggen.


Foto: Annick Bay et al

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 19 september 2016

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
E: info@bionicacentrum.nl
T: 06 - 22 79 71 84