РАЗГОНЯЯ ТЬМУ

                                 Огни в морской глубине

                                                             Кевин Р. Харди, Марк С. Олссон, Питер А. Вебер,

                                                         DeepSea Power & Light, Сан-Диего, Калифорния

Мы несем свет в темноту

   Пилотируемые и беспилотные подводные аппараты путешествуют через фотическую зону, которая находится в верхнем слое океана. Там достаточно солнечного света и для фотосинтеза, и для того, чтобы наши глаза видели. Ниже этого слоя мы попадаем в неосвещенную глубинную зону, которая намного больше. Этот «другой мир» Жак-Ив Кусто называл однажды «Миром без Солнца».* С тех пор, как 4,2 миллиарда лет назад образовались моря, более 70 % поверхности нашей планеты было скрыто от солнечного света. Влияние солнца на обитателей этих глубин связано лишь с явлениями вроде «морского снега», количество которого меняется в зависимости от сезонных изменений в верхнем слое океана.

   Добыча полезных ископаемых и рыболовный промысел продвигаются все ближе к абиссальной равнине, на глубины до 5,5 тыс. м. Там человеческий глаз, глядящий через видоискатель глубоководной камеры, нуждается в источнике света, который был бы устойчив к огромному давлению.

   Искусственное освещение на глубине позволяет нам работать, заниматься наукой, привлекать внимание рыб, а иногда просто развлекаться.

Немного истории

   В конце 19-го века морские спасатели и водолазы инициировали разработку подводных ламп, поскольку нуждались в освещении для строительства подводных частей опор мостов, пирсов, портовых сооружений.

   Для своего времени наиболее полным справочником по водолазному делу стал труд сэра Роберта Х. Дэвиса «Глубоководные погружения и операции подводных лодок» ("Deep Diving and Submarine Operations"). В 1951 году в Великобритании вышло уже пятое издание этой книги. От интервью с первыми лицами, которые он брал для более ранних изданий, Дэвис в дальнейшем перешел к историям о европейских достижениях, начиная с 1870-х. Одна из них была о том, что уже в период между мировыми войнами британцы перед началом водолазных работ осматривали место крушения, используя подводные камеры наблюдения (рис. 1). Такая камера была оснащена ртутной электрической лампой фирмы Вестингауза мощностью 3000 свечей (напряжение – 200 VAC, ток – 3,5 A). Для расширения освещенной области применяли диффузный отражатель.

   Компания DeepSea Power & Light® (DSPL), Сан-Диего, Калифорния, была основана в 1983 году. Момент для этого был выбран удачно, поскольку рынок телеуправляемых подводных аппаратов (ТПА) возник совсем недавно. Новая компания DeepSea Power & Light® (DSPL) готова была удовлетворить спрос шельфовой индустрии на компактное, надежное в эксплуатации подводное освещение и подводные камеры.

   Опыт компания DSPL в решении сложных задач, связанных с освещением, очень пригодился в 1991 году, когда российские подводные аппараты «Мир-1» и «Мир-2» спустились на 2,5 мили к затонувшему «Титанику». Они были оснащены самым современным на тот момент подводным освещением, Сегодня DSPL имеет полную линию глубоководного освещения, включая лампы LED на светоизлучающих диодах, которые имеют высокую яркость и предназначены для работы в суровом, но уже немного знакомом мире без солнца.

                        Источники света «электрической лампы»

      Электрический свет может производиться:

·        тепловым излучением (лампы накаливания);

·        разрядом при низком давлении (люминесцентные лампы);

·        разрядом при высоком давлении (галогенные HID-лампы);

·        полупроводниками (LED-лампы).

   Первую электрическую лампу изобрел в 1874 году русский инженер А.Н. Лодыгин, элементом накаливания в ней служил угольный стержень. Тот же А.Н. Лодыгин изобрел и вольфрамовую нить, которую по сей день используют в качестве элемента накаливания, патент на нее он продал компании General Electric в 1906 году. Сопротивление потоку электричества разогревает нить сначала до красна, а затем, с увеличением температуры, до бела. Световая эффективность этих ламп не слишком велика – всего около 9 lm/W. У них простая конструкция, короткий срок службы, они недороги, нить накаливания у них нагревается до 2400°K-2800°K, давая свет теплых тонов.

   В 1970-е усовершенствование ламп накаливания привело к появлению галогенных ламп. Газ-галоген ограничивает испарение вольфрамовой нити, поэтому осадок на колбе лампы не образуется, и она не темнеет. Кроме того, что увеличивается срок службы лампы, свет лучше проходит через чистый кварц. Кварцевая колба способна выдержать более высокие температуры, нежели стекло, поэтому ее размер может быть значительно меньше, ограничением служит лишь более высокое внутреннее давление газа. Световая эффективность при этом делает резкий скачок, достигая 20 – 30 lm/W, а цветовая температура увеличивается до 3300 °K. 

   В газоразрядных лампах низкого давления, также называемых люминесцентными, нет никаких нитей, что увеличивает срок их службы. Им требуется пускорегулирующее устройство (балласт) для появления и поддержания разряда между вольфрамовыми электродами, располагающимися в противоположных концах трубки. Лампа заполнена парами ртути и каким-либо инертным газом, находящимися под низким давлением. При разряде между электродами возникает электрический ток, он возбуждает свечение атомов ртути преимущественно в ультрафиолетовой области спектра, а под воздействием этого излучения начинает светиться люминофор, которым покрыта трубка изнутри. Таким образом, ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимый свет.

   Для работы люминесцентной лампы необходимо выполнение двух условий. Чтобы ее запустить, требуется импульсное перенапряжение для возникновения разряда в парах ртути. А после того, как лампа зажглась, нужно регулировать ток, чтобы компенсировать уменьшение сопротивления ионизированного газа. Для этого предназначена специальная схема балласта. Световая эффективность люминесцентных ламп достигает 69 lm/W, и цветовые температуры могут доходить до 5000°K, давая холодный белый свет.

   Газоразрядные лампы высокого давления, называемые также газоразрядными лампами высокой интенсивности (HID), в какой-то мере сходны с люминесцентными. Лампы HID также представляет собой газонаполненную трубку, в которой благодаря разряду между двумя электродами пары металлов производят энергию свечения. Здесь, однако, люминофор не используется, поскольку энергия свечения преобразуется в пределах видимого спектра.

   Три основных типа ламп HID – это: ртутные, металлогалоидные и натриевые. Названия даны по элементам, которые добавлены к инертным газам,  в потоке дуги они придают каждому типу несколько отличные цветовые характеристики, а также влияют на световую эффективность лампы. Ртутная лампа на Рис. 1 иллюстрирует пример самых ранних подводных ламп HID. Лампы HMI на «Мире-1» и «Мире-2» – специальная версия металлогалогенных ламп HID. Световая эффективность ламп HID находится в диапазоне от 65 lm/W для ксеноновых ламп (например, в подвесном головном фонаре) до 120 lm/W для высокопроизводительных ламп HMI. DSPL производит лампы HID с входной мощностью от 35 W до1200W.

   Светоизлучающий диод (LED) - электронный компонент, состоящий из нескольких слоев полупроводникового материала. LED излучает свет, поскольку это прямосмещенный диод. При прохождении электрического тока через p-n переход происходит захват избыточных электронов, что сопровождается электромагнитным излучением с узкой полосой частот, или монохромным светом. Различные легирующие вещества в  материале полупроводника дают свету различные цвета. Наиболее белые LED – это фактически синие LED, покрытые слоем люминофора, поглощающего синий цвет, белый свет дает вторичное излучение. Ожидаемый срок службы LED-ламп более 5 лет непрерывной работы. Первоначальные затраты на эти лампы высоки, однако с другой стороны, снижение эксплуатационных расходов дает экономию. В настоящее время световая эффективность таких ламп более 100 lm/W. LED-лампы высокой яркости производят многие компании, но только несколько производят хорошие, среди них Cree®. Philips® Lumiled^TM, Nichia®, Osram®, and Seoul Semiconductor®.

   Как известно, LED-лампы при идеальных условиях имеют чрезвычайно продолжительный срок службы, в то же время они являются частью более крупной электронной схемы, на которую могут оказывать воздействие колебания входного напряжения, повышенная температура, брызги, морской воздух или интенсивность отказов других элементов. LED-лампы достаточно удобны для замены в процессе эксплуатации, что обеспечивает простой путь модернизации, ведь яркость LED-ламп увеличивается ежегодно.

Применения

   Оборудованием для подводного освещения компании DSPL пользуются по всему миру, оно удовлетворяет самым высоким требованиям, работает в экстремальных условиях, в том числе в горячей воде гидротермальных жерл, при высоком давлении океанских впадин, в местах хранения радиоактивных отходов, на биологически опасных заводах по переработке сточных вод.

   Хэнфордское хранилище радиоактивных отходов (Хэнфорд, штат Вашингтон) использует переносные галогенные лампы для контроля и осмотра радиоактивных резервуаров, т.е. применяются там, куда нельзя войти, поскольку оттуда уже никогда не выйти.

   DSPL LED-лампы для подсветки океанариумов используются в больших демонстрационных резервуарах, где длительное погружение является необходимостью. Аквариум Сиэтла использует их для общего освещения и точечной подсветки на своей новой выставке «Окна на Вашингтонские воды».

   Подводному фотографу Стиву Дрогину принадлежит SEAmagine®, субмарина класса Triumph (Кларемонт, Калифорния). Подводная лодка оснащена шестью DSPL HID-лампами по 150W, двумя HID-лампами по 70W и лампой LED SeaLite (рис. 3). Используя это освещение, Стив Дрогин снимал у Кокосовых островов, острова Гваделупа и в Калифорнийском заливе. Получилось девять великолепных глубоководных видео с высоким разрешением.

   Фото на обложке декабрьского номера журнала “Ocean News & Technolodgy” демонстрирует, как в Сан-Диего, Калифорния, начинает свой тестовый спуск на 1 милю глубоководный аппарат «ЭЛВИН», принадлежащий Океанографическому Институту Вудс Хоула (Woods Hole Oceanographic Institution – WHOI). Включены DSPL LED-лампы SeaLites®, верхняя излучает холодный белый свет яркостью 2000 lm, другая излучает монохромный зеленый свет (длина волны 520 - 535 nm). По сообщению пилота «ЭЛВИНА» в условиях повышенной мутности вблизи дна обратное рассеяние зеленого света меньше, однако для общего освещения предпочтительнее яркий белый свет. Кроме того, благодаря высокой эффективности LED-лампы расходуют меньше энергии, тем самым, увеличивая время наблюдения у дна. WHOI заменил свои старые ксеноновые лампы DSPL SeaArc®3Xe на LED SeaLites®. На Рис. 4 показан глубоководный аппарат «ЭЛВИН» на борту научно-исследовательского судна «Атлантис». Освещение «ЭЛВИНА» включает три LED SeaLites® и три металлогалогенных лампы SeaArc2 400W HMI. В настоящее время глубоководный аппарат работает с шестью LED SeaLites®.

   Весьма интересно использовать монохромные LED-лампы для исследования поведения рыб без непосредственного воздействия на них, а также на ТПА, чтобы не привлекать рыбу, которая может заслонить объектив камеры. Некоторые морские биологи полагают, что благодаря тысячелетней адаптации к сине-зеленой биолюминесценции многих рыб не привлечет, а возможно, они даже не увидят монохромный красный свет от LED-ламп (длина волны 620 - 630nm). Это было бы очень полезно для ТПА на нефтяных платформах в Мексиканском заливе.

   Научно-исследовательский институт бассейна залива Монтерей (MBARI) строит новый ТПА «Doc Rickets», у которого будут более широкие возможности, чем у нынешнего. В частности, он должен будет обслуживать глубоководную обсерваторию MARS (Monterey Accelerated Research System). Являясь элементом Глобальной системы наблюдений за океаном, «Doc Rickets» заменит их рабочую лошадку «Tiburon». На новом ТПА будет установлен уже имеющийся набор DSPL металлогалогенных ламп 400 W HMI, а также Deep Multi-SeaLites® (Рис. 5).

   Коммерческим водолазам нравятся Multi-SeaLite®, равно как и LED-Mini SeaLite®, они компактны и удобны для установки на шлеме. А с помощью Multi-SeaCam® наблюдатели на палубе могут контролировать и записывать действия водолаза внизу (Рис. 6).

   Для проекта, в котором задействованы автономные подводные аппараты многоразового использования для улучшения оптического отображения профессор Океанографического института Скриппса и UCSD (Калифорнийского университета в Сан-Диего) Джулиус Джефф построил систему, включающую монохромные синие и зеленые LED-лампы Multi-SeaLites® (рис. 7). Эксперимент проводился в заливе Санта-Барбара во время плавания в сентябре 2008 года. Доктор Джефф отметил, что все это время камеры и освещение работали хорошо.

  Так же, как подсветка водоема изменяет внешний вид и функционирование самого водоема, люди на лодках находят, что DSPL Thru-Hull SeaLites® увеличивает практичность и привлекательность их судов. Рыбаки используют огни на рассвете, в сумерках и ночью, чтобы приманить живца и кальмара для ловли более крупной промысловой рыбы. Для этой цели некоторые бывалые моряки выбирают синий и зеленый свет, в то время как другие предпочитают белый (рис. 8). Из-за высоких цен на топливо некоторые владельцы лодок используют подсветку, чтобы развлечь своих гостей, не покидая пристани (Рис. 9). Их Thru-Hull SeaLites® превращает черную поверхность залива в красочный прозрачный аквариум, в то время как морское дно становится похожим на не столь удаленный лунный ландшафт. До того, как появится первая пробоина в красивом корпусе ниже ватерлинии, владельцы лодки не считают, что основная проблема конструкции механическая. Они просто хотят быть уверены в том, что покупают у надежного поставщика, однако им предстоит узнать, что независимо от того, чем они заткнут пробоину, эта часть  корпуса, как и любая другая, должна держать океан с внешней стороны. Как любая конструкция, осветительная арматура должна быть способна пережить удар волны, взаимодействие судна с плавающими обломками или свайным пирсом, воздействие углеводородного горючего или растворителя, подготовительные работы на берегу, автотуризм и прочие опасности, которые являются частью нормальной эксплуатации лодки. В конструкции своих светильников Thru-hull компания DeepSea Power & Light использует высокопрочные материалы, способные перенести воздействие повторных ударов молотка со сферическим бойком. В конструкции также минимизировано воздействие блуждающих токов и гальванической коррозии при соприкосновении различных металлов. 

   Более подробную информацию об освещении DSPL можно найти на сайте hup://www.deepsea.com