Probabilmente la cosa che ci è venuta meglio in questo millennio, finora

La più grande rivoluzione dall’invenzione della lampadina è successa senza che ce ne accorgessimo, ma ne godiamo i frutti ogni volta che accendiamo la luce. In circa vent’anni i LED hanno ridotto fortemente il consumo di energia elettrica per l’illuminazione, allungato drasticamente la vita delle lampadine e diminuito l’impatto ambientale complessivo del settore. Preso in prospettiva, è uno dei più grandi progressi tecnologici nella storia dell’umanità, ma nel frenetico succedersi di eventi è rimasto in gran parte sotto traccia ed è raro che ci si soffermi un momento a pensarci. Ma ne vale la pena.

Dalle lampade di casa ai lampioni per strada, passando per gli schermi su cui state leggendo questo articolo, i LED sono ormai ovunque e sono centrali nelle nostre esistenze.

A parità di luce prodotta, le lampadine a LED consumano fino al 90 per cento di energia elettrica in meno rispetto a quelle a incandescenza, per oltre un secolo il modo più diffuso per illuminare gli ambienti. Queste ultime non le aveva inventate Thomas Edison negli Stati Uniti come si sente dire spesso. Edison ebbe un ruolo centrale nel trovare il modo per ridurne i costi di produzione e commercializzarle, ma diversi altri inventori compresi l’italiano Alessandro Cruto e l’inglese Joseph Wilson Swan avevano lavorato a lampadine via via più efficienti.

L’idea era semplice, far passare corrente elettrica in un filamento rendendolo incandescente e quindi luminoso, eppure trovare il giusto materiale e il modo per evitare che bruciasse troppo in fretta richiese tempo e frustranti insuccessi. Con la diffusione delle prime reti elettriche all’inizio del Novecento (un’altra rivoluzione tecnologica cui dovremmo pensare più spesso rispetto all’Impero romano), la lampadina a incandescenza divenne lo standard per illuminare gli ambienti.

Il modo più pratico per farlo però era anche drammaticamente inefficiente.

In un certo senso, una lampadina a incandescenza è più un dispositivo termico che luminoso: fino al 95 per cento dell’elettricità che consuma viene dissipato sotto forma di calore, il filamento brilla e di conseguenza illumina quello che ha intorno. Il filamento può superare i 2.500 °C e si degrada velocemente fino a rompersi, per quanto sia fatto di materiali resistenti come il tungsteno e immerso in un gas inerte. È per questo motivo che dopo qualche mese la lampadina si “fulminava” ed era necessario acquistarne un’altra e sostituirla. Era un gesto normale quanto frequente e in pochi immaginavano che un giorno ci saremmo potuti dimenticare per anni, in alcuni casi decenni, di dover cambiare una lampadina.

Tra quei pochi c’era il ricercatore giapponese Shuji Nakamura, che negli anni Ottanta aveva convinto la piccola azienda per cui lavorava – la Nichia Corporation – a finanziare il suo progetto per sviluppare un LED blu, il tassello mancante per produrre la luce bianca con questa tecnologia. In precedenza erano già stati sviluppati LED che producevano luce rossa e verde, ma nessuno era riuscito a produrre quelli blu che uniti agli altri due avrebbero reso possibile la produzione della luce bianca.

I LED esistevano da molto prima degli esperimenti di Nakamura, che si racconta finivano spesso in rumorose esplosioni nel suo laboratorio. Il primo LED funzionante era stato sviluppato dallo scienziato sovietico Oleg Losev nel 1927, che aveva studiato un fenomeno particolare indagato nei decenni precedenti: l’elettroluminescenza. Se nell’incandescenza la luce è un effetto del calore, nell’elettroluminescenza la luce deriva direttamente dal movimento degli elettroni nei materiali. Il calore non ha un ruolo centrale e per questo il processo è estremamente più efficiente.

Losev aveva dimostrato la possibilità di sfruttare un nuovo modo per produrre luce, ma sarebbero stati necessari circa trent’anni per arrivare alle prime applicazioni pratiche. Negli anni Sessanta e Settanta furono commercializzati LED verdi e rossi, ma erano poco luminosi e quindi adatti per lo più a essere usati come spie luminose, per esempio per indicare che un televisore o un giradischi erano collegati alla corrente elettrica. Le potenzialità erano comunque enormi.

LED significa Light Emitting Diode, cioè diodo che emette luce (un diodo è una sorta di valvola per l’elettricità: lascia passare la corrente elettrica in una sola direzione). Quando l’elettricità passa nel LED, gli elettroni nel particolare materiale (semiconduttore) del diodo si muovono e “saltano” tra stati energetici più alti e più bassi. In questo salto rilasciano energia direttamente sotto forma di luce (fotoni), assorbendo del calore che deve essere smaltito per preservare l’integrità del materiale. Il semiconduttore deve avere una struttura cristallina quasi perfetta su cui potranno poi saltare gli elettroni, ma far crescere i cristalli in modo fluido e stabile fu a lungo la difficoltà più grande per produrre LED che fossero luminosi a sufficienza.

I composti usati nei semiconduttori sono ciò che permette ai LED di emettere colori diversi e con varia intensità, perché ogni composto determina il salto energetico che l’elettrone deve compiere e di conseguenza l’emissione dei fotoni. Ottenere i semiconduttori composti per i LED rossi e verdi non fu troppo difficile, perché per emettere luce rossa o verde gli elettroni devono compiere un salto energetico ridotto. Per la luce blu ne serviva uno molto più grande, che di conseguenza limitava moltissimo la scelta dei materiali semiconduttori utilizzabili. Il candidato migliore, il nitruro di gallio (GaN), era difficilissimo da produrre in laboratorio ottenendo un reticolo senza difetti.

Per ottenere un blu brillante e visibile fu ipotizzata la creazione di un composto di nitruro di indio e gallio (InGaN), ma all’epoca la maggior parte degli esperti era convinta che questi due metalli difficilmente potessero stare insieme, un po’ come fanno l’acqua e l’olio. Fu Nakamura a intuire che invece quell’unione fosse possibile, modificando manualmente alcuni dei macchinari che usava nel suo laboratorio. Aveva le conoscenze tecniche per farlo, a differenza dei ricercatori in aziende molto più grandi interessate a risolvere il problema, viste le enormi potenzialità commerciali.

Utilizzando un reattore personalizzato, Nakamura regolò il sistema per creare un flusso forzato in modo da costringere l’indio a rimanere intrappolato nella struttura cristallina con il nitruro di gallio, stabilizzandola e riducendo le imperfezioni del reticolo. In seguito avrebbe raccontato che non ci sperava molto, eppure con sua sorpresa notò di essere riuscito a produrre un cristallo pulito InGaN. Poi regolò meglio la reazione, ottenendo un salto energetico ideale per produrre una luce blu brillante, superando di 100 volte la luminosità ottenuta nei tentativi precedenti anche dalla concorrenza.

Era il 1993 e Nakamura aveva risolto quella che da molti era stata equiparata alla «ricerca del Santo Graal». Grazie al suo lavoro e al LED blu divenne possibile ottenere la luce bianca, combinando la luce blu con quella rossa e verde prodotta da altrettanti LED. Fu inoltre sviluppato un sistema ancora più semplice, che oggi usa la maggior parte delle lampadine basato su un rivestimento particolare (fosforo giallo) del LED. Quando è colpito dalla luce blu, i fosfori la trasformano in parte in luce gialla e la miscela dei due colori viene percepita dal nostro occhio come luce bianca. A seconda della quantità di fosfori si possono raggiungere diverse temperature colore, cioè produrre una luce fredda o più calda simile a quella che producevano le lampadine a incandescenza.

Nakamura è tra le poche persone al mondo che possono affermare di averlo realmente cambiato. Nel 2014 per le sue scoperte fu premiato con il Nobel per la Fisica insieme a Isamu Akasaki e Hiroshi Amano, che avevano lavorato ai primi prototipi di LED blu. Ma le loro invenzioni non fecero immediatamente presa sul mercato.

Le lampadine a incandescenza e quelle a fluorescenza (che usano un gas al loro interno che chiamiamo impropriamente “neon”) erano molto diffuse ed economiche, mentre quelle a LED richiedevano materiali avanzati, processi produttivi complessi e costi iniziali elevati. Per anni non ebbero quindi un posto di rilievo sul mercato, fino a quando i miglioramenti nella produzione e soprattutto il crollo dei prezzi dei semiconduttori all’inizio del nuovo millennio non cambiarono le cose.

Le lampadine a LED consumavano meno e duravano di più e divennero presto competitive, prima in ambiti commerciali e successivamente in quelli domestici. La transizione subì un’ulteriore accelerazione quando fu decisa la progressiva messa al bando delle lampadine a incandescenza, accolta con non poche proteste in vari paesi.

Molte persone erano rimaste infatti deluse dalle prestazioni delle lampadine a fluorescenza, che avevano iniziato a essere prodotte in dimensioni più piccole dei classici tubi al neon, in modo da poter essere usate anche in casa. Impiegavano diversi minuti per raggiungere il massimo della luminosità, producevano una luce fredda e spesso smettevano di funzionare prematuramente a causa del loro design compatto. C’era quindi chi rimpiangeva le lampadine a incandescenza e temeva che con i LED avrebbe incontrato gli stessi problemi, nonostante fosse una tecnologia completamente diversa. I costi sempre più bassi di queste lampadine e le prestazioni migliori convinsero infine della bontà della transizione verso i diodi, dando ragione agli sforzi di Nakamura.

Rispetto a una lampadina a incandescenza da 100 W, un tempo la più diffusa, oggi una lampadina a LED che produce la medesima luminosità dura 15 volte di più, consuma l’86 per cento in meno di energia elettrica e costa intorno ai 3 euro. In tutta la storia dell’elettrificazione, illuminare un ambiente non è mai costato così poco. Vent’anni fa il 40 per cento della spesa per l’elettricità di un edificio commerciale di medie dimensioni era per l’illuminazione, mentre oggi è intorno al 6 per cento, senza contare i costi ridotti di manutenzione per la sostituzione delle lampadine. Ma i benefici riguardano l’accesso stesso all’illuminazione anche nei paesi più poveri.

Per un miliardo circa di persone che vivono senza accesso a una rete elettrica affidabile le lampadine a LED hanno costituito un’opportunità senza precedenti. Possono essere alimentate da piccoli pannelli solari o da batterie economiche, rendendo accessibile l’illuminazione anche fuori da una rete di distribuzione, in aree rurali remote e difficili da raggiungere. Nei paesi più poveri, il prezzo sempre più basso dei pannelli fotovoltaici e delle batterie sta portando molte famiglie ad abbandonare i generatori di corrente elettrica a gasolio, molto più costosi da mantenere e inquinanti.

Disporre di più luce quando fa buio non significa solamente prolungare le attività della giornata, ma ha un impatto diretto sulle possibilità di istruzione per milioni di bambini in età scolare. Consumare meno per l’illuminazione significa anche avere più elettricità da usare per i macchinari negli ospedali e per depurare l’acqua, da qualche tempo grazie a LED speciali a luce ultravioletta.

Secondo l’Agenzia internazionale dell’energia (IEA), le vendite di tecnologie LED per uso domestico sono passate dal 5 per cento del mercato dell’illuminazione del 2013 al 50 per cento nel 2022. L’aumento è stato reso possibile soprattutto grazie alla riduzione dei prezzi e alle leggi per limitare la vendita di lampadine a incandescenza, e in prospettiva a fluorescenza, sia nell’Unione Europea sia negli Stati Uniti. Il passaggio verso le lampadine a LED sta avvenendo molto rapidamente anche in Cina, che è diventata il principale produttore di queste tecnologie.

La IEA ha concluso che ormai i LED sono «diventati più efficienti di qualsiasi alternativa economicamente disponibile», ricordando comunque la necessità di migliorare la loro resa nel rapporto luminosità prodotta/consumi per ridurre ulteriormente l’impatto del settore dell’illuminazione sui consumi energetici. Secondo gli esperti ci sono ancora ampi margini per migliorare l’efficienza e al tempo stesso rendere sostenibile il riciclo dei materiali impiegati per le lampadine. Il riciclo nel settore è ancora in fase di sviluppo perché per molto tempo la quantità di rifiuti derivanti dalle lampadine a LED era marginale, sia per la longevità dei prodotti sia per i pochi anni di larga diffusione di queste tecnologie.

Oltre a consumare molto meno, i LED offrono altre possibilità di risparmio energetico grazie alla possibilità di ridurne la luminosità a seconda delle necessità. La IEA segnala l’importanza di adottare sistemi intelligenti per regolare automaticamente la quantità di luce prodotta rispetto a quella naturale disponibile, soprattutto negli edifici commerciali e industriali. Un minor consumo si traduce non solo in un risparmio economico, ma anche in una riduzione delle emissioni di gas serra se l’energia elettrica utilizzata viene prodotta bruciando combustibili fossili.

Si dice spesso che i cambiamenti più profondi e duraturi sono quelli che avvengono senza che ce ne accorgiamo, e probabilmente il caso dei LED è emblematico in questo senso. È uno dei rari casi in cui l’umanità è riuscita a ottenere di più consumando di meno, senza che questo costituisse un sacrificio o una difficile rinuncia a qualcosa. Mentre eravamo distratti dalla ricerca di innovazioni più rumorose, in circa vent’anni l’illuminazione a LED ha iniziato silenziosamente a cambiare il mondo, un diodo alla volta.