Laserowa rewolucja. Ambitne cele Audi

Marka z Ingolstadt ma ogromny wkład w rozwój samochodowego oświetlenia. W 2004 roku zaprezentowano Audi A8 W12 z diodowymi światłami do jazdy dziennej. Dziś coraz trudniej wyobrazić sobie nowoczesny model bez „LED-ów”.

Dwa lata później odsłonięto A6 Avant – każda z jego tylnych lamp składała się z 27 diod. W 2008 roku Audi przedstawiło R8 z opcją w postaci całkowicie diodowych reflektorów. W 2013 roku, za sprawą A3, LED-owe światła zawitały w segmencie kompaktów. Pierwsze słowo należało do Audi także w kwestii seryjnie produkowanych samochodów z oświetleniem laserowym. W 2014 roku koncern zaproponował klientom limitowany model R8 LMX. Za ponad 200 tysięcy euro można było nabyć samochód z laserowymi reflektorami i 570-konnym 5.2 V10. Partią 99 egzemplarzy R8 LMX Audi pożegnało R8 pierwszej generacji.

Jak poprawić oświetlenie drogi? Dlaczego punkty świetlne stały się tak ważnym elementem współczesnych pojazdów? Czy samochodowe oświetlenie może pełnić dodatkowe funkcje? Odpowiedzi na pytania szukaliśmy podczas warsztatów Audi future lab: lighting tech and design.

Historia samochodowego oświetlenia jest długa i barwna. Przez dziesięciolecia niepodzielnie rządziło jedno źródło światła – żarówka z metalowym żarnikiem. Na początku próżniowa, a później mocniejsza i trwalsza halogenowa. Współczesne mają moc 50/55 W, emitują strumień ok. 1200 lumenów i działają przez kilkaset godzin. Droższe żarówki halogenowe o podwyższonych parametrach zapewniają 1500 lm i światło o barwie zbliżonej do światła dziennego. Ceną za lepsze oświetlenie drogi jest krótsza żywotność żarówki.

Mankamentem nawet najdroższych żarówek jest niska sprawność. Niecałe 5% zużywanego prądu udaje się zamienić w widzialne światło. Gros energii marnuje się na wytworzenie zbędnego ciepła. Reflektory ksenonowe są bardziej wydajne, jednak również nie sposób mówić o perfekcyjnym rozwiązaniu. „Ksenony” na uzyskanie pełnej mocy świetlnej potrzebują przynajmniej kilkunastu sekund. Do zainicjowania łuku wyładowczego konieczne jest ponad 20 000 V. Później żarówka musi otrzymywać prąd o napięciu 85 V. Niezbędnym wyposażeniem samochodu stają się więc przetwornice. Wraz z układem poziomowania reflektorów i spryskiwaczami są istotnymi odbiornikami energii, jak również komplikują konstrukcję pasa przedniego i zwiększają masę pojazdu.

Błyskawicznym czasem reakcji, żywotnością liczoną w dziesiątkach tysięcy godzin, kompaktowymi rozmiarami, niskim poborem prądu oraz sprawnością rzędu 20% odznaczają się diody świetlne. Przez wiele lat LED-y nadawały się wyłącznie do podświetlania kokpitu i oświetlenia wnętrz pojazdów. Zwiększenie wydajności pojedynczych elementów świetlnych pozwoliło na zastosowanie ich w tylnych lampach.

Opracowanie diod zapewniających białe światło otworzyło drzwi do LED-owych świateł do jazdy dziennej. Zadanie było trudniejsze, niż może się wydawać. Białe światło pochodzi z niebieskiej diody, która oświetla luminofor o odpowiednio dobranym składzie chemicznym.

Inżynierowie musieli uporać się także z innymi przeszkodami. Ciepło powstaje w tylnej części pracującej diody. Jego nadmiar skraca żywotność LED-ów. Konieczny jest więc układ chłodzenia, który zapewni zapewni cyrkulację ciepłego powietrza wewnątrz reflektora. W przeciwnym razie klosz z poliwęglanu błyskawicznie pokrywałby się śniegiem czy marznącym deszczem.

LED-y, z racji kompaktowych rozmiarów i charakterystyki emitowanego światła, stały się sprzymierzeńcem designerów. Odpowiednio ułożone punkty świetlne stanowią swoisty autograf modelu, umożliwiający jego identyfikację ze znacznej odległości. Ich kompozycja wpływa także na wizerunek auta. Pochylenie diodowych linii i ostre kąty między nimi dodają dynamizmu (np. w Audi A3, A5 i TT), a zaokrąglone formy doskonale pasują do flagowych limuzyn (A7 czy A8).

Pracą reflektorów złożonych z wielu punktów świetlnych można precyzyjnie sterować. Atrakcyjne efekty wizualne na powitanie, „animowane” kierunkowskazy, pulsujące i intensywnie świecące światła stopu podczas awaryjnego hamowania? Żaden problem. Wystarczy odpowiednio zaprogramować sterownik.

Opracowana przez Audi technologia Matrix LED potrafi ukształtować świetlną plamę na miliony sposobów. Elektronika dąży do oświetlania trasy wyłącznie światłami drogowymi. Inni kierowcy nie są jednak oślepiani. Punkty, w których znajdują się ich pojazdy, są wycinane z intensywnie naświetlonego pola. Kolejnym etapem rozwoju matrixowej technologii będzie asystent jazdy po zwężonych drogach. Jeżeli system kamer wykryje ograniczenie szerokości pasa ruchu – np. przez roboty drogowe bądź stojący na poboczu pojazd, na asfalcie zostaną wyświetlone dwie 15-metrowe linie. Obrazując położenie bocznych krawędzi samochodu, ułatwią ominięcie przeszkody.

Podobne rozwiązania mogą zostać wdrożone do tylnych świateł. Podczas jazdy w warunkach ograniczonej przejrzystości powietrza (mgła, opady, itd.) na asfalcie zostanie wyświetlona czerwona linia, która ułatwi pozostałym kierowcom zachowanie bezpiecznego odstępu czy podróżowanie w swoistym „konwoju” za poprzedzającym pojazdem. Trafiająca w krople wody wiązka skupionego światła staje się widoczna. W powietrzu można więc wyświetlić... trójkąt ostrzegawczy. Będzie stanowił dodatkowe przypomnienie o trudnych warunkach i konieczności zachowania większego odstępu.

Końca dobiegają prace nad tylnymi lampami w technologii OLED. Grubość organicznych diod elektroluminescencyjnych jest mierzona w dziesiątych częściach milimetra, czas reakcji to setne części milisekundy, kontrast i jasność są wyższe niż w LED-ach, a organiczna warstwa świecąca może zostać nałożona na zakrzywione powierzchnie. Projektanci samochodów nie mogli wymarzyć sobie lepszej technologii. Inżynierowie Audi nie wykluczają nawet możliwości napylanie świetlnej warstwy na... karoserię.

Światła w technologii OLED będą znacznie bardziej wydajne i atrakcyjne od obecnie produkowanych. Problemu nie stanowi opracowanie animowanych sygnałów, skorelowanie ich z trybem jazdy bądź siłą hamowania. Trzeba jednak pamiętać, że za możliwościami nowych źródeł światła nie zawsze nadążają przepisy. Pełne wykorzystanie ich potencjału stanie się możliwe w miarę nowelizowania prawa. Na zmiany czekają m.in. mieszkańcy USA. Tamtejsze przepisy zamykają drzwi nawet dla technologii Matrix LED!

Jednym z pomysłów inżynierów Audi jest optymalizacja sposobu oświetlania drogi. W gęstym ruchu niektóre snopy świateł nakładają się. Inne są przesadnie długie i bądź zbyt intensywne – np. w autach przemieszczających się w korku. Wymiana informacji między sterownikami reflektorów pozwoliłaby na zaoszczędzenie energii i korzystnie wpłynęła na bezpieczeństwo – zamiast świecić w klapę poprzedzającego pojazdu, reflektory mogłyby w większym stopniu doświetlać pobocze.

Najnowszym krzykiem techniki jest oświetlenie laserowe. To swoista mutacja świateł diodowych z mniejszą liczbą punktów świetlnych, jednak o większej mocy. Sercem oświetlenia laserowego są niebieskie diody laserowe. Generowany przez nie promień pada na płytkę z fosforem, która odpowiada za zmianę długości fali światła. Efektem jest białe (5500 K), perfekcyjnie rozłożone światło – w ilości nawet dziesięciokrotnie większej od zapewnianego przez LED-y. Warto wspomnieć również o zasięgu. Laserowe punkty o średnicy 0,3 mm są w stanie oświetlić... 600 metrów drogi przez maską! Sprawność laserowego oświetlenia sięga 60%. To poziom nieosiągalny dla innych źródeł światła. Pełne wykorzystanie potencjału laserów umożliwi technologia Matrix laser, która pozwoli na precyzyjne doświetlanie wybranych obszarów.

Jak będzie wyglądała ewolucja samochodowego oświetlenia? Wszystko wskazuje, że na popularności zyskają kompaktowe i wydajne LED-y, które z biegiem czasu zajmą miejsce klasycznych żarówek. Opcją dla samochodów z wyższej półki staną się laserowe reflektory, a pozostałe punkty świetlne zostaną wykonane w technologii OLED.

Następne źródła światła nie pojawią się prędko. W rozwój LED-ów i laserów zainwestowano fortunę. Technologia musi się zamortyzować. Efekt skali pozwoli na obniżenie kosztów produkcji. Z roku na rok obserwujemy także wzrost wydajności poszczególnych komponentów i wdrażanie coraz bardziej zaawansowanych systemów sterujących. Kiedy ich wydajność przestanie być uznawana za satysfakcjonującą? Trudno wyrokować. Przypomnijmy, że wciąż popularne oświetlenie ksenonowe zadebiutowało w 1991 roku. Wielokrotnie udoskonalana konstrukcja reflektorów, żarówek i systemu kierowania strumieniem światła sprawiła, że po 24 latach ksenony wciąż zdają egzamin.