NOVAS TECNOLOGIAS CONQUISTAM MERCADO MUNDIAL E GANHAM ESPAÇO NA ILUMINAÇÃO – HISTÓRIA DA ILUMINAÇÃO – CAPÍTULO 6

As primeiras tentativas de utilização da descarga de gás para iluminação aconteceram em 1894, quando D. McFarlan Moore iniciou pesquisas com tubos cheios de nitrogênio ou dióxido de carbono a baixa pressão, usando eletrodos externos na forma de metal folheado, enrolado em volta das pontas do tubo. A partir de 1902, ele passou a utilizar eletrodos internos de grafite.

Os tubos de Moore eram muito longos, chegavam a seis metros e, de vez em quando, necessitavam da adição de dióxido de carbono, absorvido pela parede do tubo. As primeiras instalações com esses tubos datam de 1898, mas
eles se tornaram populares nos últimos anos do século XIX e permaneceram numa posição modesta na iluminação elétrica até serem superados pelas lâmpadas fluorescentes, na década de trinta.

Outra inovação, que surgiu logo após a lâmpada de Moore, foi o tubo de neon, inventado pelo físico francês Georges Claude e apresentado pela primeira vez em 1910. Claude orientou suas pesquisas para a produção de uma lâmpada de uso geral, mas logo percebeu que poderia mudar a cor através da adição de outros gases ou vapores. Os tubos de neon ainda são amplamente utilizados até hoje e receberam uma camada fluorescente para aumentar o rendimento da luz e a escolha de cores.

Ainda nessa mesma linha, o alemão P. Schultz descobriu, em 1944, que descargas de xenônio de alta pressão produziam uma luz intensa, branca, com características quase iguais às da luz do dia. A lâmpada de xenônio poderia, assim, ser a substituta ideal para a pesada lâmpada de arco carbônico. No entanto, sua produção comercial teve que esperar o fim da guerra e a Osram foi a primeira a produzir em 1955.

Em 1901, Peter Cooper-Hewitt construiu as primeiras lâmpadas funcionais de descarga a vapor de mercúrio em baixa pressão. Hewitt usou um tubo de um metro de comprimento, com um eletrodo de ferro ou de grafite de um lado e uma pequena poça de mercúrio do outro. A lâmpada ascendia com a inclinação do tubo, permitindo que o mercúrio fizesse o contato inicial. Apesar da cor ser pouco agradável (verde-azulada) e ter um pequeno rendimento, essa lâmpada foi muito  usada na medicina, já que a alta porcentagem de luz ultravioleta emitida era considerada muito benéfica no tratamento de doenças da pele.

A substituição de gases rarefeitos pelo vapor do mercúrio deu a Cooper-Hewitt a oportunidade de lançar, no começo do século, a primeira lâmpada bem-sucedida, com 385 watts e 12,5 lumens/wats, fato inédito para a época. Essa lâmpada era mais curta (120 cm), mas necessitava de um retificador. Com o advento da lâmpada de gás incandescente com filamento de tungstênio em atmosfera gasosa, a lâmpada de Cooper-Hewitt ficou obsoleta e só voltou a aparecer na década de trinta, mais aperfeiçoada, na forma de lâmpada tubular fluorescente.

A partir de 1932, pesquisadores de várias partes do mundo concentraram seus esforços à procura de um método para produzir uma lâmpada de descarga de mercúrio em baixa pressão. Um grupo de cientistas alemães – Friedrich Meyer, Hans Spanner e Edmund Germer – fez duas descobertas importantes: Eles descreveram como os eletrodos poderiam ser pré-aquecidos para facilitar a ignição em voltagens baixas e a utilização de um material fluorescente na cobertura das paredes do tubo para converter a forte radiação ultravioleta da descarga do mercúrio em luz visível.

Essa cobertura servia para aumentar o rendimento luminoso e melhorar as características da cor da luz. Ainda, nesse mesmo ano, surgiram os eletrodos cobertos de óxido com uma taxa de emissão de elétrons muito mais alta, permitindo que a voltagem usada fosse mais reduzida para chegar à tensão standard na rede de 220 V.

A utilização de pós fluorescentes no interior do tubo – que gerava luz pela transformação das radiações ultravioletas, emitidas pelas moléculas do mercúrio e excitadas eletricamente – começou a ter sucesso, gerando a tradicional lâmpada fluorescente, que teve grande êxito. Essa lâmpada foi apresentada ao mercado e tornou-se realidade especialmente pelo trabalho do francês André Claude – primo do inventor do tubo de gás neon – que tirou a patente de uma lâmpada fluorescente com catodo emissor em 1932 e seus direitos passaram a ser de propriedade da General Electric Co.

Em 23 de novembro de 1936, os Estados Unidos utilizou, pela primeira vez, as lâmpadas fluorescentes da GE, para iluminar o Salão de Banquetes de Washington, na celebração do centenário do Registro de Patentes dos Estados Unidos. Na Europa, a Osram exibiu suas primeiras lâmpadas fluorescentes durante uma Feira Mundial, no mesmo ano. Já, em 1938, a Philips iniciou a produção de tubos fluorescentes de alta voltagem para suprimento em série. E, no ano seguinte, fabricou lâmpadas fluorescentes tubulares com catodos aquecidos para conexão com condutos de 220 V. A produção de lâmpadas fluorescentes na Europa foi interrompida por causa da Segunda Guerra e só recomeçou depois de 1945.

Crescimento na iluminação interna

Os primeiros pós fluorescentes usados foram o tungstato de cálcio e o silicato de zinco. Estas lâmpadas tinham um rendimento de cerca de 301m/W, mas sua coloração era somente regular. Em 1942, na Inglaterra, A. H. McKeag descobriu que halofosfatos de cálcio e estrôncio ativados tinham ótimas propriedades fluorescentes. Com sua introdução, em 1946, obteve-se o dobro da eficiência luminosa. Em 1973, a Philips lançou a lâmpada fluorescente de três faixas, hoje muito conhecida, baseando-se nas ideias de M. Koedam, J. J. Opsteiten e William A. Thorton. Esta lâmpada usava pós fluorescentes derivados da tecnologia aplicada nos televisores coloridos, os quais emitem luz em somente três zonas espectrais estreitas i.e. vermelho, azul e verde. O resultado foi um aumento de 50% em eficiência,
sem a perda das propriedades de emissão de cor.

O último desenvolvimento importante foi a introdução, em 1980, da lâmpada compacta fluorescente em várias formas e por diversas empresas. Essa nova tecnologia provocou uma revolução estética na luminotécnica (ver capítulo 10). A proliferação da iluminação interna com o uso de indireta e rebaixos, as soluções em linhas contínuas e as superfícies luminosas com o vidro fosco, tornaram-se modismo no pós-guerra. A iluminação pública aderiu ao novo sistema, que se tornou, por várias décadas, uma solução quase universal nos túneis.

As características de baixa luminosidade e grande eficiência luminosa tornaram o sistema fluorescente ideal para a iluminação de interiores, onde a altura de montagem limita-se geralmente a 3 ou 4 metros, conquistando grande participação mundial em luz artificial e inovações em ritmo acelerado. Das lâmpadas de partida rápida e de grandes dimensões introduzidas na década de 50 até os mais recentes lançamentos, voltados para a conservação de energia, com pós fluorescentes mais eficientes, equipamentos auxiliares eletrônicos de baixa perda e, principalmente, com as novas famílias de lâmpadas compactas, cujas pequenas dimensões abrem um novo horizonte muito promissor, a lâmpada fluorescente ocupou, finalmente, o imenso espaço dominado, por mais de um século, pela “velha” lâmpada de Edison.

Lâmpadas a vapor de mercúrio e de sódio dominam a iluminação de grandes áreas

A origem da lâmpada a vapor de mercúrio coincide com a da lâmpada fluorescente, pois ambas surgiram na década de 30, em decorrência de sucessivos desenvolvimentos tecnológicos, desde meados do século XIX, em busca da produção de luz por descargas elétricas, através de gases e vapores.

O primeiro resultado prático foi obtido, em 1901, por Cooper-Hewitt, que desenvolveu a lâmpada de descarga mercúrio-vapor, mas que ainda apresentava a emissão de cor muito fraca. Para eliminar esse problema, as pesquisas foram direcionadas basicamente para o uso de camadas fluorescentes e o aumento da pressão do vapor de mercúrio.

Em 1906, R. Küch e T. Retschinsky  Em 1906, R. Küch e T. Retschinsky produziram a primeira lâmpada de mercúrio de alta pressão, com o tubo em quartzo para suportar a alta temperatura e pressão internas. Essa lâmpada foi introduzida comercialmente nos Estados Unidos, em 1908, pela Westinghouse, com o nome de “Sílica” e, logo depois a Brush Electrical Co. lançou em Londres, com o nome de “Quartslite”. Ambas eram usadas em corrente contínua e, tal como a lâmpada de Coopper-Hewitt, podiam ser acionadas através de inclinação, criando um circuito temporário entre os eletrodos de mercúrio líquido. No entanto, essa lâmpada teve um resultado modesto, pois o quartzo transmitia radiação ultravioleta, presente em grande quantidade e a produção em massa era problemática, já que não havia uma solução satisfatória para a selagem perfeita entre os fios de entrada e o tubo de descarga de quartzo.

Como resultado, o interesse pela lâmpada de mercúrio de alta pressão desapareceu. E só foi retomado na década de 30, quando várias empresas lançaram lâmpadas de mercúrio de alta pressão mais desenvolvidas. Essas novas lâmpadas utilizavam o vidro temperado no tubo de descarga, em vez do quartzo, para evitar os problemas de selagem.

Por volta de 1934, foi descoberto o sulfeto de cádmio – um pó fluorescente que suportava a intensa radiação ultravioleta da lâmpada, mas o efeito corretivo foi apenas moderado. Outros fluorescentes foram experimentados após a Segunda  Guerra e, em 1967, o vanadato de fosfato de ítrio obteve o maior sucesso.

Em 1935, a Philips encontrou uma forma de selar fios de tungstênio em quartzo. Com isso, a pressão de trabalho dentro do tubo aumentou de aproximadamente uma atmosfera para cerca de dez, melhorando significativamente a distribuição espectral da emissão de luz.

Maior potência luminosa

A diferença entre as lâmpadas a vapor de mercúrio e a fluorescente é que a primeira opera com vapor de mercúrio a alta pressão, enquanto que na lâmpada fluorescente o meio condutor interno opera abaixo da pressão atmosférica. Ambas são lâmpadas de descarga, onde o meio condutor da corrente elétrica é constituído principalmente por vapor de mercúrio, contido num ambiente fechado.

Esta diferenciação tornou as duas famílias de lâmpadas bem distintas e, portanto, com aplicações diversas. Enquanto as lâmpadas fluorescentes, de grandes dimensões, possibilitam aplicações em baixa altura, por não apresentarem desconforto quando expostas no campo visual, as lâmpadas a vapor de mercúrio a alta pressão permitem a concentração da descarga num pequeno bulbo. Isso reduziu consideravelmente as dimensões da fonte, aumentando de forma surpreendente sua potência luminosa. Em contrapartida, o imenso brilho da fonte de luz exigia aplicações em alturas elevadas, afastando-a do campo visual do observador que olha “horizontalmente”.

Por esse motivo, a lâmpada a vapor de mercúrio tornou-se mais adequada para a iluminação pública, esportiva, pátios e recintos com grande altura de
montagem (indústrias, por exemplo).

Como a alta temperatura de trabalho exigida não é suportada pelo vidro, a lâmpada a vapor de mercúrio só se tornou possível pelo uso do quartzo como “tubo de arco”, contido em um invólucro externo fechado de vidro com atmosfera inerte, para evitar a oxidação das partes metálicas.

Embora as primeiras lâmpadas ainda apresentassem transparência, dando à fonte uma luz muito azulada, a posterior introdução de pós fluorescentes como revestimento interno de invólucro, possibilitou a correção do espectro luminoso, reduzindo as distorção das cores, além de melhoria no fluxo luminoso. Passaram a ser conhecidas como lâmpadas de cor corrigida.

Patenteada e colocada no mercado em 1934 (anterior, portanto, à lâmpada fluorescente), a primeira versão da lâmpada a vapor de mercúrio surgiu na potência de 400 W. A expansão do uso deu-se inicialmente nos EUA, principalmente em recintos industriais. Essa lâmpada apresentava ainda condições pouco atrativas pelo alto custo inicial de instalação e a vida média da ordem de apenas 6.000 horas. Tais condições, agravadas pelo extenso período recessivo da II Guerra Mundial, retardaram sua grande disseminação no mercado.

Isto só ocorreu na década de 50, quando a iluminação pública necessitava de maiores níveis de iluminação e começou a enfrentar problemas com as limitações das lâmpadas fluorescentes, que exigiam luminárias pesadas e de grande porte, para permitirem o uso de lâmpadas longas (até 2,40 metros) com as potências luminosas necessárias.

O alto custo inicial do sistema a vapor de mercúrio estimulou, na Europa, o desenvolvimento de uma lâmpada híbrida (conhecida como Luz Mista) adequada a circuitos de distribuição de 220 volts. Essa lâmpada dispensava o uso do reator eletromagnético, de alto custo, em troca de um menor desempenho luminoso. Em substituição ao reator, foi utilizado um filamento de tungstênio como limitador de  corrente, projetado para operar em série com o tubo de arco. Para isso, estendia- se a vida do filamento, em troca de uma baixa eficiência luminosa, limitando a vida da lâmpada à duração desse filamento, além de perder o tubo de arco bem antes da duração estimada. Foram lançadas lâmpadas com 5 mil horas de vida em média e a solução disseminou-se por toda a Europa, exceto nos EUA e Canadá, que jamais aceitaram esse tipo de lâmpada.

No final da década de 50, a tecnologia havia superado o problema de durabilidade da lâmpada a vapor de mercúrio, que já ultrapassava 12 mil horas e passou a substituir as lâmpadas fluorescentes com grandes vantagens econômicas.

Com o desenvolvimento de fontes de luz concentradas e potentes (da ordem de mil Watts), o sistema a vapor de mercúrio difundiu na luminotécnica dois conceitos revolucionários: o uso do refrator para fechamento das luminárias e a utilização de postes de grande altura.

Na iluminação pública, o refrator permitia orientar as grandes intensidades de luz  para pontos mais afastados, melhorando a distribuição da luminosidade. Os postes de grande altura possibilitavam a concentração de luminárias para grandes áreas (praças, pátios etc).

O sistema a vapor de mercúrio a alta pressão atingiu seu apogeu nas décadas de 60 e 70, tornando-se, então, a solução mundial para a iluminação pública, esportiva e industrial.

Vale mencionar, ainda, dois derivados da lâmpada de mercúrio de alta pressão: a de luz combinada e a de metal halogeno composto. A primeira é uma combinação de um filamento incandescente e um tubo de descarga de mercúrio de alta pressão,
ligados em série e montados em um globo comum. O filamento age como estabilizador de corrente e facilita uma pequena correção da cor perto da parte vermelha do spectrum. Esta ideia já tinha sido usada no início do século (Cooper-Hewitt), mas só foi fabricada por volta de 1935.

Em 1961, G. H. Reiling patenteou uma lâmpada de mercúrio de alta pressão na qual ele adicionou componentes halogênicos de certos metais ao vapor de mercúrio. Os componentes típicos eram: índio, tálio e sódio; escândio e sódio; ou disprósio e tálio. Reiling deu o nome de lâmpada de metal halogenocomposto e a introduziu no mercado em 1964. Essa nova lâmpada era muito melhor do que a lâmpada de mercúrio de alta pressão convencional, tanto em termos de aumento de eficiência como de emissão de cor. A ideia não era tão nova, pois a lâmpada de arco, inventada em 1889, já trabalhava mais ou menos sob o mesmo princípio.

A mais eficiente das lâmpadas

Embora a lâmpada a vapor de sódio a alta pressão seja a fonte de luz de maior utilização em nível mundial pelas múltiplas vantagens que apresenta, suas origens remontam ao século passado, quando uma “corrida” dos pesquisadores para uma solução de iluminação por descarga elétrica, através de gases e vapores, começou a apresentar resultados promissores.

Os primeiros êxitos aconteceram com os tubos de Moore (1899) com descarga em gases e a lâmpada de Cooper-Hewitt (1901) que obtinha luz através do vapor de mercúrio a baixa pressão. Seria o grande início da vasta família de lâmpadas de descarga. Entre todos os metais, o mercúrio é o único que tem uma pressão apreciável de vapor em temperaturas normais, tornando-se a escolha óbvia para lâmpadas de descarga de vapor de metal. E, além disso, ele emite uma boa proporção de radiação na parte visível do spectrum.

Um outro metal promissor era o sódio, que tinha um ponto de fusão de apenas 98ºC e emitia quase toda sua radiação em duas linhas separadas, muito juntas na parte amarela do spectrum, perto da região de maior sensibilidade ocular. Portanto, pelo menos teoricamente, seria possível fazer uma lâmpada muito eficiente baseada no princípio de descarga de sódio.

O êxito se deu na Europa, primeiramente para operação em corrente contínua (1931) e depois em corrente alternada (1933). Obteve-se uma lâmpada com eficiência luminosa jamais alcançada, da ordem de 55 lumens/watt. Era uma fonte luminosa monocromática, na faixa de 589 nanômetros-raia característica do sódio vaporizado.

A Philips e a Osram fizeram, em 1931, as primeiras lâmpadas de sódio a baixa pressão funcionais e a primeira instalação elétrica com as novas lâmpadas surgiu um ano depois num trecho de estrada no sul da Holanda. Elas seriam utilizadas em corrente contínua, mas, em 1933, uma nova versão para uso em corrente alternada apareceu no mercado e foi usada para iluminar o túnel Scheldt, na Antuérpia, Bélgica. Nesse mesmo ano, os eletrodos aquecidos foram substituídos por outros fios e a lâmpada de sódio de baixa pressão adquiriu o formato usado por mais de 30 anos.

O calor gerado pela descarga de sódio a baixa pressão é suficiente apenas para manter a lâmpada em sua temperatura de trabalho ideal. Nas primeiras lâmpadas o tubo de descarga era encapsulado num globo de vidro de parede dupla com vácuo.

Mas, a partir de 1955, utilizou-se um globo a vácuo, recoberto de um material refletor de calor, inicialmente um óxido de estanho, que depois foi substituído pelo óxido de índio.

Pesquisas iniciadas em 1955 por R. L. Coble mostraram que se poderia fazer um tubo de descarga translúcido, resistente ao sódio, de óxido de alumínio concrecionado, altamente purificado. As primeiras lâmpadas que usavam este princípio foram feitas nos Estados Unidos, em 1964, por Bill London e Kurt Schmidt. A produção em larga escala começou no ano seguinte. Mais tarde, estudou-se a possibilidade de um maior aumento de pressão de vapor de sódio, visando melhorar as características da cor da luz.

Em contrapartida, a nova fonte emitia uma luz surpreendentemente eficiente, que chegava a atingir 200 Lm/Watt, eficiência até hoje não igualada por qualquer outra fonte. A única desvantagem é a luz amarela monocromática, que impede a distinção entre as cores, restringindo seu uso a poucas aplicações como a iluminação de estradas. Essa lâmpada ficou limitada à iluminação pública (inclusive túneis) e outras áreas externas, onde a reprodução de cores não se constituía em um grande problema.

Com esse propósito persiste ainda hoje em muitas regiões da Europa, principalmente em países onde as precárias condições de visibilidade (normalmente durante o inverno) exigem uma fonte de luz muito eficiente. Sua característica monocromática, exatamente na região do amarelo, onde há maior eficácia para o olho humano, faz também com que dê maior penetração da luz em condições de “fog”, minimizando o efeito de dispersão luminosa nas partículas aquosas em suspensão, que ofuscam o observador.

Houve uma tentativa para melhorar a cor, através do aumento da pressão do vapor, mas descobriu-se que o vapor de sódio é muito agressivo e atacaria todos os tipos de vidro, incluindo o de quartzo. Era de conhecimento científico de que o sódio poderia emitir luz em outras radiações, desde que operasse em temperaturas mais altas, não toleradas pelo vidro e nem mesmo pelo quartzo. Não existia na natureza um material que pudesse oferecer as características necessárias: translucidez, impermeabilidade e resistência às temperaturas da ordem de 1200ºC/1500ºC sem amolecer ou se deformar.

No entanto, a solução foi vislumbrada em 1955, quando em Schenectady (EUA), dois químicos dos laboratórios da GE, buscando uma solução tecnológica para outros fins elétricos, produziram artificialmente uma cerâmica policristalina, denominada de “Lucalox” (“Luc” – luminescente e “alox” – óxido de alumínio).

A adaptação desse novo material para ter um invólucro impermeável, necessário para conter e resistir ao vapor do sódio em altas temperaturas e pressões elevadas, representou um intenso trabalho tecnológico ao longo de quase 10 anos, a um custo próximo de 10 milhões de dólares.

A nova cerâmica foi patenteada em 1962, mas, somente em 1966, surgiu comercialmente a primeira lâmpada a vapor de sódio a alta pressão. Tinha potência de 400 Watts, eficiência luminosa de 105 lumens/ Watt e oferecia uma vida média de 6 mil horas.

Cabe ressaltar que a exigência de altos picos de tensão (500 Volts ou mais) para início de operação do tubo de arco a vapor de sódio exigiu, paralelamente, o desenvolvimento de um novo dispositivo – o ignitor – associado ao seu equipamento auxiliar (reator), dando assim maior sofisticação ao novo sistema.

Atualmente, essa nova família de lâmpadas abrange uma vasta gama de potências (de 35 W a mil W) e chega a atingir a eficiência de 140 Lm/W. Sua vida média insuperável alcança 30.000 horas e oferece algumas vantagens adicionais, pois permite o projeto de luminárias menores com melhor desempenho ótico, por serem de pequena dimensão e transparentes.

Além disso, esse tipo de lâmpada tornou-se um produto ecológico por ter longa vida, alta eficiência, ausência de mercúrio e um espectro luminoso que não emite radiações ultravioletas. Por outro lado, a busca de uma solução menos onerosa, que estimulasse a troca de sistemas a vapor de mercúrio já existentes por vapor de sódio a alta pressão, conduziu à concepção de uma lâmpada híbrida, projetada para operar com o equipamento ou auxiliar já disponível.

Assim, obteve-se ganhos luminotécnicos com a simples troca de lâmpadas no sistema existente, mas essa troca deve ser sempre avaliada, pois essas lâmpadas não oferecem o mesmo fluxo e nem a mesma durabilidade das lâmpadas a vapor de sódio previstas para operar com o equipamento auxiliar adequado.

O sistema a vapor de sódio a alta pressão vem dominando a iluminação externa, onde as exigências em reprodução de cores não se constituem em fator critico. A acelerada substituição, que se observa na iluminação pública, das instalações incandescentes, da luz mista e a vapor de mercúrio são testemunho disso. Seu permanente aperfeiçoamento irá certamente torná-la também uma solução para outras aplicações, incluindo-se a iluminação interna.

Coordenação Editorial e Redação: Neide Lamanna

Capa:  Raphael Lobosco

Projeto Gráfico: André Siqueira

Ilustração: Raphael Lobosco