新蓝海？LED照明技术开始瞄准海洋领域

每日LED 2022-01-27 07:30

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LED 的基础技术已经存在了一个多世纪，但仅在过去十年左右的时间里，LED 才对社会产生了变革。

2010年，LED占全球照明市场的1%；到 2020 年，这一比例已上升到 55%。这种快速增长深刻地重塑了整个行业，甚至促成了长期以来被称为照明领域的领先创新者。预计在这十年的某个时刻，整个全球照明市场将发生转变到 LED，LED 照明市场从 2021 年的约 600 亿美元大约到 2028年的会增长到 1350 亿美元。

从白炽灯泡到 LED 的过渡受到政策变化和消费者需求的双重推动。例如，在美国，2007 年通过的《能源独立与安全法案》要求许多家用灯泡的效率比白炽灯泡高 25%。欧盟和我国也采取了类似的政策。

这些政策变化为消费者提供了两种选择：紧凑型荧光灯 (CFL) 或 LED。LED 的能效比 CFL 高 40% 以上，使用寿命长 3-7 倍，而且随着 LED 灯泡价格的下降，消费者越来越多地选择它们。

这里显示的是不同光源在其生命周期内对自然资源、空气、土壤和水的影响的相对大小。紧凑型荧光灯（红色）和 LED（绿色和紫色）灯泡的影响远小于白炽灯泡（蓝色）。

尽管消费者的选择相对容易，但许多人并没有充分认识到采用 LED 技术对环境的积极影响。2017 年，信息提供商估计，采用 LED 照明使当年全球二氧化碳排放量减少了 50 亿吨以上，即 1.5%。生命周期评估还表明，与使用白炽灯或 CFL 灯泡相比，LED 技术减少了有害废物的产生和对生态系统和人类健康的风险，并更好地保护了空气、土壤和水质。

…现在他们正在改变我们研究海洋的方式

研究海洋的未来在于开发低成本的车辆、传感器和仪器。这些工具将能够持续监测海洋过程，并允许更广泛的全球人口参与海洋研究和可持续发展工作。LED 不仅可用于水下照明，还可用于通过水传输数据，它们已准备好在这一未来愿景中发挥重要作用。

在这幅图中，自主水下航行器 (AUV) 进行通信并协同工作，以勘测位于海底的热液喷口。AUV 上的 LED 灯将通过水收集的数据传输到固定在电缆系泊上的接收器。然后，光缆将数据从系泊处传送给岸上的科学家，使他们能够检查数据，并在需要时近乎实时地调整他们的研究计划。

海洋学研究界目前正在开发自主水下航行器 (AUV) 舰队，以收集物理、声学、化学和生物数据，帮助我们了解海洋如何运作以及它将如何应对气候变化和污染造成的人类压力。例如，这些船队收集的数据具有以下特征：(1) 墨西哥湾流等洋流强度的变化；(2) 具有商业重要性的渔业的分布和可持续性；（3）濒危海洋哺乳动物在船舶、渔具附近的位置和活动情况；(4) 水质参数的变化，如 pH 值、温度、营养负荷和氧气水平；(5) 温室气体储存。

对于自主水下航行器船队来说，不仅仅是在附近运行的单个车辆组，他们需要沟通和协调他们的活动。这就是先进的 LED 技术的用武之地。

从理论上讲，这些船队将能够在比目前更广阔的空间和时间尺度上进行测量，同时还能最大限度地减少使用昂贵且能源密集型的载人研究船。但这些 AUV 车队不仅仅是在附近运行的单个车辆组，他们需要沟通和协调他们的活动。这就是先进的 LED 技术的用武之地。

估计有436 根海底光缆，总长 130 万公里（足够绕地球赤道行驶 32 次），目前正在使用中，构成了一个复杂的全球快速传输通信管道网络。正是这个网络让我们只需按一下按钮，就可以给世界各地几乎任何地方的朋友和家人打电话。数据通过这些特殊的搪玻璃电缆以高功率光的形式进行通信，通常由 LED 发射，在称为全内反射的过程中从一侧反射到另一侧。如果没有这些光纤电缆（即，如果电线或系绳被切断），光载数据几乎无法传播那么远，因为光发射会迅速衰减。

然而，浅色的选择会有所不同。在海洋中，光的主要衰减器是发色溶解有机物 (CDOM) 和水本身（图 1）。CDOM 容易吸收紫外线 (UV)，而水则容易吸收绿光和红光。由于蓝光在很大程度上逃脱了 CDOM 和水的吸收，它可以传播数百米进入海洋，比紫外线、绿光和红光深得多。这就是为什么海洋是蓝色的，以及为什么无线水下光通信系统使用大功率蓝色 LED 来传输数据。

图 1. 此处描述了发色溶解有机物 (CDOM) 和水对海洋中总光衰减的相对重要性。（上）CDOM 是 UVB、UVA 和紫光的主要衰减剂，而水是绿、黄、橙和红光的主要衰减剂。（下）蓝光穿透海洋最深处，因为它逃脱了 CDOM 和水的吸收。

事实上，无线水下 LED 技术已经在很大程度上得到验证和使用。例如，在海底钻孔观测站，基于 LED 的光学调制解调器将数据从原位传感器快速传输到 100 多米外的 AUV 或遥控车辆——就像福尔总统在塞舌尔的直播中类似的调制解调器所做的那样。此外，随着将石油和天然气从数千个活跃的海上钻井平台输送到陆地炼油厂的海底管道的建造和维护，基于 LED 的光学调制解调器有助于将数据快速传输给工程师。这些数据使工程师能够近乎实时地监测海底状况并做出反应，提高铺设管道的准确性和速度，并优化对管道健康状况的监测，以避免或至少最大限度地减少损害和环境危害来自海底管道破裂。

LED 还可以帮助确保收集到高质量的数据。海洋中的所有传感器——无论是光学的、化学的、电气的还是声学的——都容易受到生物污染或其他来自生物体的干扰，如生长在传感器表面的藻类粘液和藤壶。减少生物污染的传统方法包括擦拭器和百叶窗等机械手段或杀菌剂等化学手段。然而，这些方法还有很多不足之处，特别是在应用杀菌剂时，这些杀菌剂可能对预期的生物体造成附带伤害。

反过来，海洋学研究人员最近一直在推动不含化学物质的防污替代品。鉴于其简单、低成本和功率要求，UV LED，尤其是那些发射 UVC 的 LED，似乎是未来的潮流，其有效性的初步结果是有希望的。UVC 处理已被证明可以最大限度地减少海洋传感器的生物污染，提高收集的 pH 值、电导率和浊度数据的质量，并允许在海上进行更长时间的部署。

用在更多地方

LED 技术的颠覆性潜力如此广泛，以至于它有望在实现若干联合国 (UN)可持续发展目标方面发挥关键作用。这些目标包括消除贫困；确保每个人的健康和福祉；确保清洁的水供应和充足的卫生设施；培育有弹性和包容性的产业、创新和基础设施；保护和可持续利用海洋、海洋和海洋资源。

LED 很可能对开发用于监测海洋健康的低成本传感器做出重大贡献，这一演变可以促进海洋科学的公平性。

特别是 LED 对可持续利用海洋目标的影响越来越明显。海洋科学本质上是全球性的，但在实践中，参与主要限于富裕国家的机构、科学家和学生，而在低收入国家和依赖海洋的社区中的许多人成本过高。正如低成本的基于 LED 的传感器能够在发展中国家进行空气质量监测，这些国家不成比例地承受着空气质量差的健康负担，LED 很可能会大大有助于开发用于监测海洋健康的低成本传感器。这样的演变可以促进海洋科学的公平性，让更多人在更多地方参与。它还可以通过让我们更频繁地观察和监测更多的海洋，提供有关海洋状况和健康的丰富信息，帮助我们就如何处理海洋做出明智的决定，从而促进可持续性。

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