Как имитировать солнечный свет в темных помещениях

Люди, работающие в современных условиях, испытывают дефицит солнечного света, и получают переизбыток искусственного освещения. Но технологии не стоят на месте. Сегодня появляются необычные светильники, которые помогают решить проблему. А некоторые энтузиасты успешно моделируют естественный солнечный свет в домашних условиях. Об этих необычных системах освещения и пойдет речь.

Светильники с изменяемой цветовой температурой (биодинамические).

В 2017 году были открыты молекулярные механизмы, управляющие циркадными ритмами. Оказывается, цветовая температура источников света влияет на биоритмы человека.

В школьном курсе биологии изучаются колбочки и палочки — светочувствительные клетки глаза. В них содержатся зрительные пигменты родопсин и йодопсин, регистрирующие поступающий свет. Нервные импульсы передаются в мозг, и человек различает цвета, форму и движение объектов. Однако есть еще один очень важный фотопигмент — меланопсин. Он отвечает за регулировку циркадных ритмов, в частности — за режим сна и бодрствования.

Меланопсин реагирует на уличное освещение, посылая в мозг информацию о том, какое время дня на дворе. Но традиционное искусственное освещение с неизменной цветовой температурой мало воздействует на меланопсин, и циркадные сигналы в мозг не поступают. Из-за этого нарушается сон, снижается концентрация внимания, повышается утомляемость.

Ответом на эти проблемы стала концепция антропоцентрического освещения (Human Centric Lighting, HCL). Возникла идея создания световых приборов, у которых цветовая температура и интенсивность света меняются в течение дня, восполняя недостаток естественного освещения.

Светодиоды идеально подходят для реализации этой идеи. У них широкий диапазон цветовых температур и спектров. Можно получать сложные спектры, комбинируя светодиоды нескольких типов. А изменяя ток, легко регулировать световой поток.

В России в 2021 году даже стартовал масштабный проект — «Свет Арктики». Тюменский медицинский университет начал разработку системы биодинамического освещения, имитирующего естественный свет. «Умное освещение» должно прийти, прежде всего, в дома и офисы жителей Крайнего Севера.

Но ученые на этом не останавливаются. И пытаются сделать светильники, создающие иллюзию настоящего голубого неба. Это непростая задача. За миллионы лет эволюции мозг научился четко отличать сияние солнца от света костра, то бишь, лампочки.

Светильники, моделирующие небо.

На помощь приходит физика. Как известно, солнечный свет состоит из всех цветов радуги. В атмосфере лучи солнца попадают на молекулы воздуха, а также мельчайшие капли воды, льдинки и пылинки размером гораздо меньше микрона. Эти неоднородности среды изменяют направление распространения световых волн, и свет рассеивается во всех направлениях. Такое явление называется рассеянием Рэлея.

Сильнее всего рассеивается синяя часть спектра. Поэтому небо кажется голубым, в какую бы сторону мы ни смотрели. Этот голубой рассеянный свет получается благодаря атмосфере. Если взглянуть на небо с Луны, то из-за отсутствия атмосферы оно будет казаться черным — таким же, как на Земле ночью.

Возникает вопрос, почему небо голубое, а не фиолетовое? Дело в том, что интенсивность фиолетового излучения в солнечном спектре ниже. Кроме того, наше зрение в несколько сотен раз менее восприимчиво к фиолетовому свету по сравнению с голубым.

Помимо рэлеевского рассеяния нужно учитывать и еще кое-что. У солнца лучи параллельны, а у лампы — нет. Если приблизить руку к лампе, тень от руки станет больше. А при солнечном освещении размер тени остается неизменным.

Таким образом, чтобы создать иллюзию солнечного освещения, нужен источник, испускающий параллельные лучи света, и материал со свойством рэлеевского рассеяния.

Кажется, лучше всего имитировать естественный солнечный свет получается у итальянской компании CoeLux Srl. Ее системы освещения в точности воспроизводят не только голубое небо, но и яркое солнце. Причем небо и солнце воспринимаются как объекты на бесконечно далеком расстоянии. В патентах (а их у компании более 150) объясняются тонкости реализации этой технологии. Система очень сложная, а стоимость светильника сравнима со стоимостью премиального автомобиля.

Система освещения CoeLux Srl включает три основных компонента.

— Яркий светодиодный прожектор со спектральными характеристиками солнечного света.

— Сложная оптическая система, направляющая световые лучи так, что наблюдателю кажется, что небо и солнце находятся бесконечно высоко.

— Наноматериал, отвечающий за рэлеевское рассеяние света.

Еще одно интересное решение предлагает китайская компания Ewinlight. В России ее продукция известна под названием Ledwindow.

Эти светильники также создают иллюзию глубины — кажется, что освещение идет от далекого голубого неба. По поверхности светильника движутся облака, спектр регулируется, управление осуществляется, в том числе, со смартфона. Светильники Ledwindow гораздо меньше по габаритам, чем изделия CoeLux, и значительно дешевле.

Аналогичные решения есть у Mitsubishi Electric. Светильники Misola имеют небесный оттенок, а из четырех граней светильника подсвечиваются только три, что создает впечатление естественного освещения. Угол падения и спектр света меняются в соответствии с движением солнца по небосводу.

Когда за дело берутся гики.

Идея естественного освещения настолько притягательна, что некоторые энтузиасты проводят эксперименты в домашних условиях.

Блогер Мэтт Перкс с YouTube-канала DIY Perks получил известность за необычные поделки и изобретения. Он создал светильник на основе отражателя спутниковой антенны. Обклеил его зеркальной пленкой, а в фокус параболического зеркала поместил мощный 500-ваттный светодиод. Получился прожектор, испускающий параллельные лучи света.

Затем он изготовил что-то вроде стеклопакета, а пространство между стеклами заполнил мыльным раствором. В таком растворе образуются мицеллы — частички из молекул мыла, создающие эффект рэлеевского рассеяния. За этим импровизированным окном разместился прожектор.

Результат получился потрясающий. Нужно видеть восторг на его лице, когда он демонстрирует свое творение!

В современном мире технологии все больше проникают в жизнь человека. Инновации становятся основой для новых инноваций. Светодиодные светильники перестают быть простыми утилитарными устройствами. Они превращаются в качественно новые, умные источники света. Как скоро «биодинамическое освещение» станет нормой жизни, покажет время.