Edisons arv

Text: Ulf Ellervik

Om jag skulle be dig att göra en enkel illustration av en god idé antar jag att du kommer att rita en glödlampa. Glödlampan är så tätt förknippad med den innovativa processen att den nästan blivit en kliché.
Vem var det då som uppfann glödlampan? Min gissning är att ditt svar skulle bli amerikanen Thomas Edison. Det är kanske inte riktigt sant, men det är en bra historia. Låt oss ta den från början.

Det hela började när han vid tretton års ålder sålde tidningar på Grand Trunk Railroad i Michigan, ett tåg som gick de tio milen mellan hemstaden Port Huron och Detroit. En fördel med arbetet var att tåget stannade ett par timmar i Detroit innan det vände tillbaka. Dessa timmar tillbringade Edison i stadens bibliotek, som hade ett utmärkt urval av vetenskaplig litteratur.
Enligt en historia – det finns många om Edison – räddade han en treåring från att bli överkörd av tåget. Som tack började barnets far lära Edison morse, och efter ett antal år tillhörde han den absoluta eliten bland USA:s telegrafister. Det var under åren som telegrafist han på allvar började lösa tekniska problem. Till en början handlade det om förbättringar av elektriska och mekaniska apparater kring telegrafen, men snart intresserade han sig för helt andra fält. Med pengarna han fick för sina första patent kunde han bygga upp ett unikt forskningslaboratorium i Menlo Park, New Jersey.

I retrospektiv kan det vara så att Edisons laboratorium i Menlo Park var hans största bedrift. Det var nämligen det första moderna industriella utvecklingslaboratoriet med tillgång till allt från olika maskiner till kemiska laboratorier. Inom ett par år hade han anställt ett trettiotal kemister, elektriker och andra tekniker som helt fokuserade på nya uppfinningar och vidareutveckling av befintlig teknik. Edison hävdade att de kunde komma ut med en liten uppfinning var tionde dag och en banbrytande innovation en gång i halvåret. Det är inte omöjligt att det var sant, för sammanlagt beviljades 1 093 olika patent. I många fall var det inte han själv som kom på själva idén, men han utvecklade den till att bli kommersiellt gångbar, vilket kan vara minst lika betydelsefullt. En uppfinning i byrålådan gör ingen glad.

Trots alla andra viktiga uppfinningar är det glödlampan som Edison är mest berömd för. Då, i slutet av 1870-talet, var stearinljus och fotogenlampor, som gav ifrån sig sot som missfärgade tak och väggar, den vanligaste belysningen i hemmen, medan städerna lystes upp av gaslampor. Edison bestämde sig för att hitta ett bättre alternativ. När han började intressera sig för en ny typ av belysning var det sedan länge känt att upphettade metalltrådar ger ifrån sig ljus. Detta kallas svartkroppsstrålning, och alla material som hettas upp tillräckligt mycket kommer att ge ifrån sig ljus – från dovt rött, via orange och gult till vitt beroende på vilken temperatur det har. En skicklig smed vet vilken färg järnet ska ha för att kunna smidas.

Till en början testade han att använda platinatrådar som ger ifrån sig vitt ljus när man leder elektrisk ström genom dem. Problemet var att metallen förstörs om den hettas upp i närvaro av luft. Under tiden som Edison testade olika metalltrådar arbetade hans medarbetare med att utveckla en metod för att skapa vakuum inne i en glaskolv och när väl det lyckades öppnades vägen för att testa andra material till glödtrådarna. I oktober 1879 lyckades de för första gången få en glödlampa att lysa. Lampan bestod av en tråd som impregnerats med kol och den brann i hela fyrtio timmar. Tråden var dock alldeles för skör, så man fortsatte att förkolna alla typer av naturmaterial man hittade.

Lösningen blev till slut en sträng av förkolnad bambu från en solfjäder, och året därpå började försäljningen av glödlampor. Under de kommande decennierna utvecklades allt bättre material, och från 1906 användes grundämnet volfram som har perfekta egenskaper för en glödtråd. Till en början var det bara Edisons laboratorium som lystes upp av glödlampor, och folk vallfärdade till Menlo Park – som snart blev känt som The Village of Light – för att se dessa nymodigheter. Edison försäkrade att det elektriska ljuset ”på inget vis är skadligt för hälsan och heller inte påverkar sömnkvaliteten”, men med enkel och billig tillgång till ljus dygnet runt kom våra vanor att förändras oåterkalleligt. Det var helt enkelt inte nödvändigt att gå och lägga sig bara för att det blev mörkt ute.

Problemet är att vår dygnsrytm ställs in efter tillgången på ljus. När vi utsätts för ljus startar inte produktionen av melatonin i hjärnan, och vi blir därför inte trötta tillräckligt snabbt. Fri tillgång till ljus öppnar för nya nöjen som före dess varit bundna till den ljusa delen av dagen. Som ett resultat började vi sova allt mindre, och det verkar som att vi under de första hundra åren efter Edisons genombrott har tappat i snitt en timme sömn varje natt. Den amerikanske sömnforskaren William C. Dement sammanfattade elegant hur ljuset påverkat oss:

Vår förlust av sömn och naturliga sömnrutiner är ett tragiskt arv från ett unikt och samtidigt högst teknologiskt framsteg – glödlampan […] Edison åstadkom något som Prometheus inte kunde föreställa sig då han skilde ljuset från elden och erbjöd oss en oändligt mer bekväm och flexibel användning.

Nobelpriset i fysik 2014 delades mellan Isamu Akasaki, Hiroshi Amano och Shuji Nakamura för att de hade utvecklat en blå lysdiod. För att förstå vidden av denna uppfinning behöver vi ta ett steg tillbaka och titta på vanligt ljus. Anledningen till att vi kan se föremål omkring oss är att fotoner i ljuset interagerar med ljuskänsliga tappar och stavar i ögats näthinna. Stavarna är ljuskänsliga och används framför allt när det är svagt ljus. De kan dock inte urskilja olika färger, vilket gör att det mesta uppfattas i en gråskala under natten. Tapparna, som är mindre ljuskänsliga, finns i tre olika versioner som kan uppfatta rött, grönt och blått ljus. Sedan lägger hjärnan ihop informationen, vilket gör att vi kan uppleva alla olika färger.

Detta ger upphov till en del intressanta effekter som ibland känns märkliga. En sådan är blandning av monokromt ljus. Vi är ju vana vid att blanda färger av olika slag, och vi vet att det blir grönt om vi blandar blå och gul färg. Om vi i stället blandar monokromt ljus, till exempel från två laserpekare, upptäcker vi att rött och grönt ljus tillsammans upplevs som gult. Om vi dessutom lägger till blått upplever vi kombinationen som vitt ljus. Därför räcker det med tre färger – rött, grönt och blått – för att få fram vilken nyans som helst.
En lysdiod är en halvledarkomponent som kommersialiserades under 1960- och 1970-talen och som sänder ut ljus i ett smalt våglängdsintervall när man skickar ström genom den. Först kom den röda lysdioden, tätt följd av den gröna. Lysdioder användes sedan i en mängd olika produkter, men eftersom vi inte hade tillgång till blå lysdioder gick det inte att skapa skärmar som kunde visa alla färger. Gamla datorer och TV-apparater hade i stället så kallade LCD-skärmar, som bestod av flytande kristaller och olika filter som gav möjlighet att visa alla färger.

De tre japanska forskarna bestämde sig för att försöka skapa en helt ny typ av lysdiod som kunde ge ifrån sig ljus i det blå området. Akasaki och Amano arbetade tillsammans i slutet av 1980-talet, medan Nakamura ungefär samtidigt gjorde liknande upptäckter på egen hand. Idén var att använda kristaller av galliumnitrid, men problemet var att skapa kristaller av tillräckligt bra kvalitet. Efter många års hårt arbete lyckades de, och med blå lysdioder öppnades helt nya möjligheter.

Ljusflöde mäts i enheten lumen, och medan en gammaldags glödlampa bara ger omkring 16 lumen per watt kan en LED-lampa ge upp till 300 lumen. Det mesta av energin i en vanlig glödlampa försvinner i form av värme: en ljusstark glödlampa kan bli så het att man bränner sig på den.

I dag används omkring en fjärdedel av jordens energi för belysning, och genom att ersätta glödlampor med LED-ljus kan vi spara mycket. En annan fördel är att LED-lampan är betydligt mer robust och även om den är dyrare i inköp håller den hundra gånger längre än en glödlampa, vars glödtråd brukar brinna av efter ungefär tusen timmar. Det finns ytterligare en kul egenskap hos LED-lampor och det är att det går att variera vilken färg de har genom att blanda olika delar av rött, grönt och blått ljus.

I dag har utvecklingen gått vidare och numera används så kallade OLED-skärmar som är uppbyggda av organiska lysdioder. Dessa går att miniatyrisera, vilket gör att de används i allt från smarta skärmar till mobiltelefoner och läsplattor. Utvecklingen är enastående, men samtidigt finns det mycket som tyder på att vi genom att utsättas för ljus, i synnerhet det blå ljuset från telefoner och läsplattor, får störd nattsömn. Melatonin, som gör oss sömniga på kvällen, utsöndras när det börjar mörkna, medan dagsljus gör att mängden minskar. Det är troligen det blå ljuset, som är som starkast i solljuset mitt på dagen, som påverkar oss mest. Ljusets färg beror på vilken våglängd det har, och korta våglängder, till exempel 460–480 nanometer, uppfattas som blått ljus. Det verkar som att brytpunkten för påverkan på melatonintillverkningen ligger vid 530 nanometer, vilket är ett ljus som vi uppfattar som gulgrönt. Allt ljus som har längre våglängder än så påverkar endast i ringa omfattning vår sömnighet.

Ljuset från skärmar av olika slag kan leda till att vår sömnfas förskjuts med mer än en timme. Genom att vi utsätts för både artificiellt ljus i form av belysning och numera också från skärmar minskar vår nattsömn ytterligare. De flesta vuxna behöver sova mellan sju och nio timmar varje natt, men tyvärr går antalet sömntimmar ner överallt i världen. Barn sover i snitt en timme mindre än tidigare, medan vuxna har tappat så mycket som
två timmar jämfört med för hundra år sedan. Undersökningar från olika delar av världen pekar entydigt i samma riktning: med ökande användning av skärmar minskar sömnen både i kvalitet och kvantitet.

Utöver den direkta påverkan av ljus störs vår sömn också av yttre stressmoment som oro för den egna ekonomiska situationen, krig och våld, klimathot och prestationer av olika slag. Även om vi oftast går och lägger oss i rimlig tid under veckodagarna, är det inte helt ovanligt att vi sover till framåt lunch på helgerna. Detta kallas för social jetlag, och om vi dessutom lägger till lite alkohol på fredags- och lördagskvällarna kan sömnen bli ordentligt lidande. Dålig sömn kan också leda till dålig hälsa, och varje timme vi i snitt minskar vår sömn med ger en ökad risk för övervikt med över 30 procent. Som om det inte vore nog för den enskilde individen, så uppskattas denna sömnbrist kosta samhället omkring 1 procent av bruttonationalprodukten.

Vad som i praktiken har hänt sedan tekniken tog över är att våra sociala krav blivit viktigare än sömn. I stället försöker vi lösa detta på kemisk väg både för att hålla oss vakna på dagen, till exempel med kaffe, och sedan sömnmedel för att vi ska sova på natten.