Năng lượng ánh sáng ppsx

Năng lượng ánh sáng
Trongmột tế bào quangđiện trong điển hình,hailớp bándẫn silicon pha tạp
liên kết sít saovới nhau (xem hình 5). Một lớp được cải biến để có quá số electron
tự do (gọi là lớp n), còn lớp kia đượcđiềuchỉnh để có quá số lỗ trống (lớp p).Khi
hai lớpbándẫn khác nhau được ghép lại tạimộtranh giới chung (gọi làtiếp giáp
p-n), electrontự do trong lớp nđi vào lớp p nhằmlắp đầycác lỗ trống. Sự kết hợp
của electronvàlỗ trống tạitiếp giáp p-n tạo ra mộtrào cảnngăn số electronvượt
qua tăng thêm.Khi sự thiếu cân bằng điện đạt tới điều kiện cân bằng, một điện
trường ổnđịnhđược thiết lập qua ranh giớiphân tách hailớp.
Khi ánhsángcó bướcsóng (và nănglượng) thích hợpchạm tới tế bào tách
lớp vàbị hấp thụ, electron được tự do chuyển độngvề mọi phía. Nhữngelectron
gần ranhgiới(tiếp giáp p-n) có thể băng quatiếpgiáp bởi điện trường cố định. Vì
electroncó thể dễ dàng băngqua ranhgiới, nhưngkhôngthể quay trở lại theo
hướngkhác(chống lại gradientđiện trường)nên sẽ thu đượcsự bất cânbằng điện
tích giữa hai vùng chấtbán dẫn. Những electronđi vào lớp nbởihiệu ứng khubiệt
hóa củatrườngổn địnhcó xu hướngtự nhiên rời khỏi lớp đó để điều chỉnh sự bất
cân bằng điệntích. Tiếnvề phía này,các electron sẽ đi theođường đi khác nếu như
có đườngđi đó.Bằng cách đặtmộtdòng điện ngoài mà quađó các electroncó thể
quay trở lại lớp kia, thì dòng điện sẽ được tạo ra liêntục chừng nàomà ánhsáng
còn chạmtớitế bào Mặt Trời.Trongcấu trúccủa tế bào quang điện trong, cáclớp
tiếp xúckimloại được đặt vào mặt ngoài của hai lớp bán dẫn, và cung cấp một
đườngdẫn tới mạchđiện ngoài nốihai lớp lại. Kết quả cuối cùng là việc tạo ra công
suất điện thuđược trực tiếp từ nănglượngánh sáng.
Hiệu điện thế tạo ra bởi tế bào MặtTrờibiến thiên theobước sóngcủa ánh
sáng tới, nhưngnhữngchiếc tế bào tiêu biểu đượcchế tạo để sử dụng phổ bước
sóng rộng của ánh sángban ngày doMặt Trời cung cấp. Lượng nănglượng tạo ra
bởi tế bào phụ thuộc vào bướcsóng, với những bướcsóng dài phátra ít điện hơn
những bước sóngngắn. Vì những tế bào hiệncó thườngthường tạora hiệuđiện
thế chỉ khoảngbằng với tế bào đèn flash, nên cần phải ghép hàng trăm, hoặcthậm
chí hàng ngàn tế bào lại để tạo ra đủ điện cho nhữngứng dụng cầnthiết. Mộtsố xe
ô tô chạy bằngnăng lượng Mặt Trờiđã được chế tạo và đã hoạt động thànhcôngở

tốc độ cao quaviệcsử dụng một số lượng lớn cáctế bào Mặt Trời. Năm 1981, khí
cầu SolarChallengerđược bọc 16.000tế bào MặtTrời, tạo ra công suất hơn3000
watt, đã bay quaeo biển Anhchỉ điều khiểnbằng ánh sáng Mặt Trời.Những kì
công gây hứng thú như thế này đã làm tăng thêm việc sử dụng nguồnnănglượng
MặtTrời. Tuy nhiên, việc sử dụng các tế bào Mặt Trời vẫn còn trongthời kì chưa
đủ độ chín, vànguồnnăng lượng nàyvẫn chỉ mới giới hạn trongnhững dụngcụ
yêu cầu công suất thấp.
Các tế bào quangđiện trong hiện naysử dụng những tiến bộ mới nhất trong
lĩnh vựcchấtbán dẫnsilicon phatạpchuyển hóatrung bình 18%(đạt giá trị lớn
nhất vào khoảng 25%) năng lượng ánh sáng tới thànhdòng điện, sovới 6% đốivới
những tế bào sản xuấttrongthập niên 1950. Ngoài nhữngcải tiếnvề hiệu suất,
người ta cũngnghĩ ra những phương pháp mới để sản xuất nhữngtế bào ít tốn
kém hơn so với những tế bàochế tạo từ silicon đơn tinhthể. Nhữngcải tiến như
thế bao gồmcác màngmỏng silicontăng trưởngtrên nhữngbánh xốp silicon đa
tinh thể ít đắthơnnhiều. Silicon không kếttinh cũngđượcthử với một số thành
công, khicho bốc hơi các màngsilicon mỏng lên chấtnền thủytinh. Nhữngchất
khác ngoài silicon, như galliumarsenide,cadmiumtelluride,và đồngindium
diselenide,đangđượcnghiêncứu vì nhữngtiềm năngcủa chúng cho cácứng dụng
tế bào Mặt Trời. Gần đây, cácmàng mỏng titanium dioxide đã đượcpháttriểncho
việc chế tạo tế bào quang điện trong tiềm năng.Những màngtrong suốt này đặc
biệt hấp dẫn vì chúng cũng cóthể thực thi nhiệm vụ képnhư những cánhcửa sổ.
Năng lượng Mặt Trời thụ động và năng lượng Mặt Trời chủ động
Mặcdù các tế bào Mặt Trời chuyểnhóa trựctiếpánh sángthành năng lượng
điện, nhưng những phương tiệngiántiếp cũng có thể sử dụng ánhsáng để tạo ra
năng lượngdưới dạng nhiệt. Những cơ cấu này có thể chia thànhhailoại: các hệ
năng lượngMặt Trời thụ động và chủ động. Các hệ thụ độngphụ thuộc vàosự hấp
thụ nhiệt mà không liên quantới chuyển động cơ học. Lấy vídụ, lò Mặt Trời không
gì hơn làmộtcái hộp cách nhiệt với thủy tinhbao ngoài và bên trongmàu đen, có
thể đạt tới nhiệt độ quá 100độ C dưới ánh sáng Mặt Trời mạnh, trựctiếp.Nhiệt độ
này cóthể dùng để đun nấu thức ăn, và ở những nước đangphát triển hoặc những

khu vực có nguồn nhiên liệu hạn chế, đây là một công cụ đơngiản có thể mang lại
sự cải thiện đáng kể cho chất lượng cuộc sống.
Các hệ nănglượng Mặt Trời chủ động thường dựa trên việcsử dụngánh
sáng Mặt Trời để đunnóng một chất lỏng, sauđó dẫn dòng chất lỏng nóngtới một
khu vực khác cần đếnnó. Nhữnghệ nước nóng quymô nhỏ đáp ứngđược nhucầu
nước tắm vàgiặt giũ ở một nơi trên thế giới. Những dụngcụ đơn giản cấu tạo gồm
ống dẫn nướcmàu đenkẹpgiữa cácđĩa thủy tinh,và đượccách nhiệt để gom góp
càng nhiều nhiệt càng tốt. Các hệ chủ động quymô lớn sử dụng các tia gương để
hội tụ ánh sáng vàomột máy thu trungtâm,có thể là mộtnồi đun tạo rahơi nước
làm quay tuabin. Những trạmphát điện Mặt Trời sử dụng vài trăm,hoặc vài ngàn
chiếc gươngparabol cóthể tạo ra đủ hơi nước từ dòng nước bơm qua máythuđể
phátra hàng chục megawatt điện tronghàng giờ liền vào ban ngàycó nắng.
Sự chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành nhiên liệu cháy – Hydrogen
Mặcdù năng lượngMặt Trời tồn tại thuộc dạng nguồn vô tận,có sẵn, không
phải muabán (và không độc), nhưng sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng từ Mặt
Trời có liên quantới hàngloạt vấn đề giớihạn khắt khenhững ứng dụng có hiệu
quả. Trườnghợp đángthèmmuốn nhất sẽ là việc nghĩ ra một cơ chế chuyển hóa
năng lượngMặt Trời thành dạng chắc chắn và diđộng cóthể dễ dàng truyền tải đi
tới những nơi xa. Nhiều nỗ lực nghiên cứuđang nhắm tới việcsử dụng năng lượng
MặtTrời tậptrung để thu đượcnhiệt độ cao cầnthiết điều khiểncác phản ứnghóa
học khác nhau,thườngsử dụng chất xúc táchóahọc để tạo ra nhữngkết hợp khác
nhau củanhiên liệu khí có thể dễ dàng tích trữ và chuyên chờ. Mộtsố khả năng
hiện đang hứa hẹn, nhưngđa số cácnhà chuyên môn trong lĩnhvực chuyểnhóa
năng lượngđều đồng ý rằng nhiênliệu cuối cùnglấy từ sự chuyểnhóa năng lượng
MặtTrời chính là hydrogen.
Nhu cầu sử dụng hydrogen làmnhiên liệu hiện đang tràn ngập. Hydrogen
phân tử cấutạo từ nguyên tố nhẹ nhất trong vũ trụ, và có thể dễ dàngtích trữ và
vận chuyển.Hơn nữa, hydrogencó thể lấy từ nướcvới oxygenlà sản phẩmduy
nhất. Khi hydrogencháy, nó kết hợp với oxygentrongkhôngkhí tạo ranước trở lại,
do đó có thể tái tạo nguồn vật liệu. Điều quantrọngnhấtlà trongsuốt chu trình

giảiphóng nănglượng ở dạng có thể sử dụng được, khôngcó bước trung gian nào
sinh ra nhữngchất độc đáng kể. Cũngnhư Mặt Trờitiếp tụctạo ranăng lượng ánh
sáng của nó, nguồn hydrogen là vô tận. Hiện nay,hydrogen được sử dụng chủ yếu
là nhiên liệutên lửa(dướidạng các tế bào nhiênliệu xúc tác như minh họa trong
hình 6) và là thành phầncủa một số quá trìnhcông nghệ hóa học. Tuynhiên,với
những cải tiến thuđược gần đây, nguyên tố nhỏ nhấtnày cóthể sẽ đáp ứngmọi
nhu cầuvề điện và vận chuyển của loài người.
Mặcdù hydrogen có thể sảnxuất trực tiếp từ nước, nhưngyêu cầu phải cấp
một số năng lượngvào để thực hiện việc tách nó khỏi oxygen. Một phương pháp
điều khiển phản ứng đó là sử dụng dòng điện trong một quá trình gọi làđiện phân,
và ánhsáng Mặt Trờicó thể được sử dụngđể phát ra dòng điệncho sự chuyển hóa
đó. Sự điện phân bao hàm mộtphản ứng oxy hóakhử, trong đó dòngđiệntruyền
qua một cặp điện cực trong nước, sinh rachấtkhí hydrogen và oxygen ở haiđiện
cực.Một hướng khả dĩ kháccho việc sản xuất hydrogenlà tập trungánh sáng Mặt
Trời ở nhiệt độ đủ cao để gây ra sự phânli nhiệt củanướcthànhcác thành phần
oxygen và hydrogen của nó, sauđó có thể tách chúngra.
Cuối cùng, một phương pháptách nước tinhvi hơnnữa làmphát sinhphân
tử hydrogenthật đángthèm khát. Một kĩ thuật mà từ đó sự phântíchthu đượclà
khai thác năng lượngMặt Trờiquacác phản ứng hóa họctheo kiểu tươngtự như
quá trìnhquanghợp sử dụng bởi cây xanh vàvi khuẩn. Khi chúng phơi ra trước
ánh sáng Mặt Trời, thựcvật chứa chlorophyll màu xanhliên tục táchcác phân tử
nước, giải phóng oxygenvà kết hợphydrogen với carbon dioxidetạora đường.
Nếu phần đầu của quá trình này, hoặcmộtquá trình tương tự, có thể mô phỏng lại,
thì sẽ thu được nguồncungcấp hydrogen vôtận,điều khiển bằng nguồn năng
lượng Mặt Trời.
Một cố gắng quantrọng nữa làtập trungphát triển sự quang hợpnhân tạo, ở
mức độ cơ bản, cóthể mô tả là sự phân tích điện tích khử quangtại mặt phân cách
giới hạn phântử. Một trongnhững mục tiêu nhiều thamvọngnhất củanghiên cứu
này là phát triển các enzymđiều khiển bằngánh sáng,và cả điệntử học ở quy mô
phân tử, baogồm sự chuyển tải các hạt mangđiện đáp ứng lại ánh sáng và hoạt

độnghóa học.Một đối tượng khác của nghiên cứu nàylà việc sản xuất cácchất
theo công nghệ sinh học, như các enzymvà sắc tố. Trong những năm gần đây, vi
khuẩnvà các sinhvậttươngtự làm thoáihóadầu đã được sử dụng để khắcphục
các vụ tràn dầu. Hiện nay, cácnhà khoahọcđang cố gắng hoàn thiện phương pháp
sử dụng sinh vật sốngvà sinh trưởngnhờ năng lượng Mặt Trời chonhữngmục
đích đa dạng thuộc côngnghệ sinh học, ví dụ như tẩy sạchcác nguồn cấp nước bị ô
nhiễm.
Dưới những điều kiện nhất định,tảo có thể bị khử mất chuỗi quang hợp bình
thường của chúng ở một giai đoạn nhất địnhvà sản sinhmột lượnglớn hydrogen.
Bằng cách ngăn cản cáctế bào khỏi nhiên liệu trữ cho sự cháy lúcthôngthường,
tảo cóthể bị buộc phải kích hoạt một lộ trình trao đổichất khác mang đếnkết quả
là việcsản sinhra lượngđáng kể hydrogen. Khám phánày làm tăngthêm hi vọng
rằng mộtngày nào đó nhiênliệu hydrogen có thể sản xuất từ ánh sáng Mặt Trời và
nước thông quaquá trìnhquang hợp bằng các phức hợp quang hóa quy môlớn.
Những nghiên cứu gầnđây cho thấy vikhuẩnđạidương chứa sắc tố hấp thụ ánh
sáng proteorhodopsin, cho phép chúngchuyểnhóa ánh sáng Mặt Trời thànhnăng
lượng tế bào mà không phụ thuộc chlorophyll.Khámphá này làmtăng thêm khả
năng sử dụng các vi khuẩn dễ thao tác,như E.coli, trong máy phát năng lượngđiều
khiểnbằng ánhsáng có hàng loạtứng dụngtrong cả vật lí học vàkhoa họcvề sự
sống.
Ứng dụng chụp ảnh quang điện tử:
Sự chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện
Một trong những ứng dụng thông dụng nhấtcủa hiệu ứng quangđiện là
trong các dụngcụ dùng để phát hiệnphoton mangthôngtin về hình ảnhtrong
camera,kính hiển vi,kính thiên văn và những dụng cụ ghi ảnh khác.Với sự phát
triển của công nghệ ghi ảnh kĩ thuật số, sự tiến bộ nhanhchóng đã xuấthiện trong
công nghệ dùng để chuyểnhóa ánh sáng thànhtín hiệu điệncó ý nghĩa. Một vài
loại detector ánhsáng đangđược sử dụng phổ biến. Một số thu nhậncáctín hiệu
có thôngtin hìnhảnhmà không phân biệtkhông gian,cònmộtsố khác là những
detector cục bộ bắt lấy hình ảnh trực tiếp hơn với thông tin không gianvàcường

độ kết hợp. Cácdetectoránhsáng dựa trên hiệu ứng quang điện gồm cácống nhân
quang,cácdiode quangthác, dụng cụ tíchđiện kép, bộ phận khuếch đại hìnhảnh,
và các bộ cảmbiến quangbán dẫnoxidekim loại bổ chính (CMOS). Trong số này,
dụngcụ tích điện kép được dùng rộng rãi nhất chocông việc ghi ảnh và phát hiện,
và do đó được sử dụng phổ biến nhất. Nguyên tắc hoạt động của nócũng là cơ sở
cho nhiệm vụ của các loại detector khác.
Dụng cụ tích điện kép (CCD) là mạch tích hợp trên nền silicon gồm mộtma
trận,hay mộtdãy, dàyđặc các diode quang hoạt động bằng cách chuyển hóa năng
lượng ánh sángdướidạng photonthành điện tích.Mỗi diode quang trong dãy hoạt
độngtheo nguyên tắc tương tự như tế bào quangđiện trong, nhưngtrong CCD, các
electronphát rabởi tương tác của photon với nguyên tử silicon được lưutrữ trong
một giếngthế và sau đó có thể truyền qua chip, quathanhghi, rồi đi rangoài tới bộ
phận khuếchđại. Hình 7minhhọa cấutrúc của một CCD điển hình.
CCD được phátminh vào cuối thập niên 1960 bởi nhà khoahọc nghiêncứu
tại Phòng thínghiệm Bell, người lúc đầu mang ýtưởng về một loại mạch điện nhớ
mớidùng cho máy tính.Nhữngnghiêncứu sau đó cho thấy rằng dụng cụ đó, vì khả
năng truyềnđiện tích của nó và phảnứng điện của nóvới ánh sáng, cũngsẽ cóích
cho những ứngdụng khác như xử lí tín hiệu và ghiảnh. Niềm hivọng banđầu về
một dụng cụ nhớ mới hoàntoàn tanbiến, nhưng CCD nổi lên là mộttrongnhững
ứng cử viên hàng đầu cho các detector ghi ảnhđiện tử dùngcho mọi mục đích, có
khả năng thaythế phim tronglĩnh vực ghi ảnh kĩ thuật số, cả cho mục đích phổ
dụnglẫn trongcác lĩnhvực chuyênmônnhư kĩ thuật chụpảnhhiển vi kĩ thuật số.
Chế tạo trên chất nền silicon giống hệt như các mạchtích hợp khác,CCD
được xử lí trongmộtchuỗiin ảnh litôphức tạp gồm khắc acid, cấy ion, lắngmàng
mỏng,kim loại hóa và thụ động hóa để vạch rõ các nhiệm vụ khác nhaubên trong
dụngcụ. Chất nền silicon đượcphatạp điện hình thành siliconloại p, mộtchất
trong đó hạt mangđiện chủ yếu là các lỗ trống tích điện dương.Khimộtphoton tử
ngoại,khả kiến, hoặchồng ngoại vachạm với một nguyêntử silicon nằmtrong
hoặc gần diode quang CCD, nó sẽ luôn tạo ramột electron tự do và một “lỗ trống”
gây ra bởi sự vắng mặt tạmthời củaelectron trong mạngtinh thể silicon.Electron

tự do sau đó được gom vào mộtgiếng thế (nằm sâu bên trong silicon, trongmột
khu vực gọi là lớp suyvong),còn lỗ trống buộcphải rời khỏi giếng và cuốicùng bị
chiếm chỗ trong chấtnền silicon. Từngdiodequangcáchđiện với các láng giềng
của chúngbằng một rãnh dừng,hình thành bằng cách cho khuếch tán các ion
boron quamộtmặt lọcvàochấtnền silicon loạip.
Đặc điểm kiếntrúc chủ yếu củaCCD là một dãy lớn chuỗi thanhghi lệch chế
tạo cólớp polysiliconpha tạp dẫn điện xếptheo chiều thẳng đứng phân tách với
chất nền bán dẫn siliconbằng một màng mỏng cách điện silicon dioxide.Sau khi
electronđượcthu gom vàomỗi diode quang của dãy,mộtđiện thế đượcáp vào lớp
điện cựcpolysilicon(gọi là cáccổng) làm thayđổi thế tĩnhđiện của silionnằmbên
dưới.Chất nền siliconnằm ngaydưới điện cực cổngkhi đó trở thành một giếng thế
có khả năng thu gom các electron phát ra cục bộ do ánh sángtới gây ra. Các cổng
lân cận giúp giam giữ electrontrong giếng thế bằng cách hình thành vùng thế cao,
gọi là hàng rào thế,bao quanhgiếng.Bằng cách điềuchỉnhhiệu điện thế đặt vào
cổng polysilicon,chúngcó thể cóxuhướng hoặc là hình thànhmộtgiếngthế, hoặc
là hàngrào thế để điện tích tích hợpđượcthu thập bởi diodequang.
Sau khi đượcrọi sáng bằng photon tới trongthời kì gọi là sự tích hợp, giếng
thế trong dãy diodequangCCD trở nên đầyelectron tạo ratronglớp suy vongcủa
chất nền silicon.Điệntích trữ trong mỗi giếngphải được đọclại theo mộtphương
pháp cóhệ thống.Những phép đo điệntích lưu trữ này được hoàn thành bằng sự
kết hợp di chuyển chuỗi và song song của điện tích tích góp đếnmộtnút ra tại rìa
chíp, nơi nó kếtnối với bộ khuếch đại ngoài. Tốc độ truyền điện tích songsong
thường đủ để hoàn thànhtrong thời gian tíchhợpđiện tích cho hình ảnh tiếp theo.
Sau khi thu gom vào giếng thế,electrondời chỗ song song, mỗi lần một hàng,
bằngmột tín hiệu phát ra từ đồnghồ thanh ghi dịchđứng.Đồnghồ thanh ghi dịch
đứng hoạt động theo chu kì, làm thayđổi điện thế trên các điện cực xen kẽ của
cổng thẳng đứng để làmdi chuyểnđiện tíchtích góp quaCCD. Sau khiđi qua dãy
cổng thanh ghidịch song song,cuốicùng điện tích chạm tớimột hàng cổng đặc biệt
gọi là chuỗi thanhghi lệch. Tại đây, các gói electronbiểu diễnmỗi pixelbị dịch
ngang trong chuỗi, dưới sự điều khiển của đồng hồ thanh ghidịch ngang,về phía

bộ khuếch đại ngoàivà ra khỏi chip. Một CCD tiêu biểu chỉ có một bộ khuếch đại
đọc lại nằm ở góc của toàn bộ dãy diodequang. Trong bộ khuếch đại ra,các gói
electronghi nhận lượngđiện tích tạo ra bởi các diode quang liên tiếptừ trái sang
phải trong một hàng bắt đầu với hàng thứ nhất và tiếptục cho tớihết. Điều này tạo
ra mộtsự quét mànhtương tự của điện tíchquangpháttừ toàn bộ dãy hai chiều
của cácnguyêntố cảm biến diode quang.
Sự chuyển hóa năng lượng thành ánh sáng
Vì độ lớn và tínhrộng khắpcủa ánh sáng và năng lượng Mặt Trời chạm tới
Trái Đất,nên sự chuyển hóangượclại từ các dạngnăng lượng khác thành ánh sáng
dườngnhư là khôngquan trọng. Tuynhiên,những bức hìnhchụp mới đây từ phi
thuyền và vệ tinh củaTrái Đấtvào banđêm chothấyở nhữngkhuvực dân cư đông
đúc, loài người đã thành côngtrongviệctạo ra mộtlượng đáng kể ánh sáng bằng
cách chuyển hóa nguồnnăng lượng điện (hình8). Những quá trình tự nhiênkhác
cũng xảy ralàm phátsinh ánhsáng,thườngđi cùngvới nhiệt. Dùcho xảy ra tự
nhiênhay là có sự hỗ trợ khéo léo củacon người, ánh sáng có thể phát ra từ các cơ
chế chuyểnhóa năng lượngcơ học, hóa học, và điện học. Hình8 là một ảnh ghép từ
hàng trăm tấm ảnh chụpTráiĐất từ vệ tinh.Ánh sángtừ các nguồn nhântạo mô tả
rõ ràngcáctrung tâm dân cư chính ở BắcMĩ và Tây Âu, như minh họa trong hình.
Tại một số thời điểm trongquá khứ xa xôi, loài ngườiđã học được cách sử
dụnglửa theokiểu có lợi. Nhữngngọn lửa phát sáng có khả năng manglại nguồn
sáng nhân tạo đầu tiên, và những ngọnlửa tự nhiên này vẫnđượcduy trì làm tài
sản quý trong thời gian dài. Nếu một ngọn lửatắt, thì một nguồn lửamới phải
được tìm thấy bằng cách săntìm vàthu thập. Thành công sớmnhất trong việc cố ý
tạo ra lửa là kết quả của việc sản sinhnhiệtvà than hồng từ masát khicọ các que
củi vàonhau,hoặc “lóe” tia lửa điện bằng cách cọ nhữnghòn đá hoặc khoángvật
nhất địnhvới nhau,chúng làmbốc cháy mộtsố chất liệu dễ bắt lửa đặtgần đó.
NgườiLa Mã đã biết cách sử dụng đuốc tẩm nhựa làm nguồn sángdi độngtừ hơn
2000 năm trước. Lửa không phải chỉ có ích, mà còn có ý nghĩa biểu trưngto lớn
trong nhiều nềnvăn hóasơ khaivàtrongthần thoại của họ.Bắtđầu từ truyền
thống Hy Lạp cổ đại, các kì thế vận hội Olympicngày nay vẫngiữ tinh thần “mang

lửa” từ Hy Lạptớiđịa điểmtổ chức sự kiện.
Loài ngườiđã sử dụng sự cháy của một số dạng nhiên liệu kết hợp với
oxygen trong không khí cung cấp lửa (cũng như nhiệt) tronghàng nghìn năm trời,
và mộthướngtiến bộ khôngthể tránh được sau đó là việctìm kiếm những cảitiến
cả về chức năng vàđộ an toàn. Saukhi người ta biết rằng mỡ động vật và dầu thực
vật cháy với ngọn lửamàu vàng chói,đã có nhu cầu lớn về những loại dầunày, và
phần nhiều trong số đó được lấy từ động vậtbiển,ví dụ như cá voi và hải cẩu. Việc
đốt cháy dầukhó kiểmsoát,và phải thêm bấc vào đèn để điều khiểntốc độ cháy và
ngăn cảnnguyhiểm vì ngọn lửa cháy bùnglên. Đèndầu đượcbiết là đã sử dụng
hơn10.000 năm. Nếnlà một môphỏng của đèndầu,cung cấp nhiên liệuở dạng
rắn, tiệnlợi hơn. Nhữngcây nến sớmnhấtsử dụng mỡ động vật hoặc sáp ong, còn
những cây nến hiện đại chủ yếu cấutạo từ parafinchiết từ dầu mỏ. Sự phát triển
hơnnữa trong việc sử dụng lửa mang lại ánhsáng xảy ra trong thế kỉ 19, khi
những ngọn đèn khí trở nên được sử dụng rộng rãi ở các thànhphố và đô thị.
Diêmđược sử dụng để đốt cháy cácchất dễ bắtlửa khácsử dụng phản ứng
hóa học để tạo ra lửa.Que diêmthường phủ hợp chất phosphorebắt lửa trongsự
có mặt của oxygenkhichúngđược làm nóngbằng masát qua việc cọ xát lên một
mặtmài mòn.Cái gọi là diêm antoànphảithắpsáng bằng cách cọ xát lên mộtbề
mặtđặc biệt, và sẽ không bắt lửa khi vô tình cọ xát với các bề mặt khác. Hợp chất
hóa học trong đầu diêm và bề mặt cọ xát kết hợp tạora tialửa điện lúc đầukhởi
độngmột phản ứnghóa học dẫn tớisự cháy của que diêm.
Sự chuyểnhóa năng lượngđiện thành ánh sáng bắtđầu trở thành thực tế
trong những năm 1800với sự phát triển đèn hồ quang.Những đènnày hoạt động
bằngcách tạo ra một dòng điện phóngqua một khe giữa haique than,tạo ramột
cung sáng chói duy trì liên tục.Mặcdù chúng có khả năng phát ra nhiều ánh sáng
hơnnhững ngọnnến củ kĩ hoặc phương pháp đèn khí,nhưngđènhồ quang yêu
cầu duytrì liêntục và là ngọn lửa nhiều rủi ro.Năm1879,cả Joseph Swanở Anh,
và ThomasEdisonở Mĩ, đều chứngminh được đèn điện sử dụng dây tóc carbon
nung nóng bằng dòngđiện hàn kíntrong bóng thủy tinh hútchân không một phần.
Ví “bóng” thủytinh của nhữngngọn đèn này được bơm tới trạng thái chân không

một phần, và chứa rất ít oxygen,nên dây tócsẽ khôngbắt lửa, nhưng sẽ rất nóng
và sáng rựcrỡ.
Đèn điện hiện đại sử dụng ba quá trìnhkhác nhauđể tạo ra ánhsángtừ năng
lượng điện cung cấp chochúng. Đèn nóng sángchuẩn, lấy trựctiếptừ các mẫu ban
đầu của nhữngnăm 1800,ngày nay chủ yếu sử dụng dây tócvolfram trongmột
chất khí trơ, và phát ra ánh sáng bằng hiệu ứngđiệntrở làm cho dây tóc nóng lên
khi có dòng điện chạy qua. Đènhuỳnh quang là loạinăng lượnghiệu quả hơn phát
ra ánhsáng từ sự rọi sáng huỳnh quang của phosphorphủ ở bề mặt bên trong của
ống thủytinh. Lớp phủ phosphorbị kích thíchpháthuỳnh quang bằng bức xạ cực
tím phátra khi dòngđiện truyền qua chất khí trong ống. Loại đèn thứ ba được
dùngphổ biến là đènhơi, chúng hợpnhất các chất khí như thủy ngân hoặc natriđể
phátra ánh sáng khả kiến khidòng điện chạy qua thể tích khí.Những đèn này có
thể có áp suấtcao hoặcthấpđa dạng, và phát ra ánh sáng có đặc trưngphổ phụ
thuộcvào chất khí vànhững chất kháchợp nhất trongđèn.
Có lẽ quá trìnhcơ bản nhất chuyển hóa nănglượngthành ánh sáng tươngtự
như nguồn nhiệt vàánh sángcủa Mặt Trời, đó là quátrình nhiệt hạch hạt nhân.Các
nhà khoahọccó thể tạo ra phản ứng nhiệt hạch chỉ trong khoảng chừngnửa thế kỉ
nay, nhưng những phản ứng như thế đã vàđang xảy raliên tục trong vũ trụ hàng tỉ
năm nay.Nhiệt hạch là quá trình trongđó hai hạt nhân nguyên tử nhẹ va chạm
nhau hình thành nênmột hạt nhânnặng hơn(xemhình 9). Hạt nhânthuđược có
khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng của hai hạt nhân hợpnhân, và khối lượng bị
mấtchuyển hóa thành nănglượng, phù hợp với phươngtrình tươngđươngkhối
lượng/năng lượngcủa Einstein. Phản ứng nhiệt hạch là nguồn phát năng lượng
của đa số các sao, kể cả Mặt Trời của chúngta. Như vậy, sự ấm áp của Mặt Trời và
ánh sáng của nó là sản phẩm của sự nhiệt hạch hạt nhân, hìnhthànhnên cơ sở cho
tất cả sự sống trên Trái Đất.
Khi mới hìnhthành, một ngôisao chứa hydrogen và heliumcó thể được tạo
ra trong vũ trụ nguyênthủy. Hạt nhânhydrogen tiếp tục va chạm, tạo nênhạt nhân
helium, rồi chúng lại vachạmtạo nên những hạt nhân nặng hơn, vàcứ thế, trong
chuỗi phản ứng tổng hợphạtnhân. Sự hợpnhâncủa cácđồng vị hydrogen khác

nhau thành đồng vị heliumtạo ra năng lượnggấp hàng triệu lần một phản ứng hóa
học thông thường. Phản ứng cơ bản này khiến Mặt Trời sẽ tiếp tục soi sáng mãi
cho đến khi nguồnhydrogengần như cạn kiệt và Mặt Trờitiến hóathànhmột sao
kềnhđỏ, tăng kích thước nhấn chìmTrái Đấtvà các hành tinhnhóm trong.
Những thínghiệm đầutiên của con người với sự nhiệt hạchhạt nhânđưatới
sự pháttriểnbom khinhkhí. Nghiên cứu đangđượctiến hành hiện nay cóthể
mang lạinhững ứng dụng cóích hơn cho việc sử dụng phản ứngnhiệt hạch kiểm
soát được làm nguồn phát điện sạch, không đắttiền.Những tính toán về tốc độ mà
MặtTrời sử dụng nguồn hydrogen banđầucủa nó cho thấychúng ta có thể chỉ còn
có khoảng 5 tỉ năm nữađể thừa hưởngnguồn nănglượngnày và nghiêncứu sự
nhiệt hạch. Hi vọng rằng khoảng thời giannàylà đủ dài.