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La technologie des ampoules fluorescentes

Dossier - L'ampoule, l'invention lumineuse qui a changé la face du monde
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Il n'y a aucun doute, l'ampoule est une des inventions qui ont bouleversé l'humanité. Retour sur une histoire technologique formidable qui, depuis une vingtaine d'années, connaît une irrésistible accélération.

  
DossiersL'ampoule, l'invention lumineuse qui a changé la face du monde
 

L'ampoule incandescente ne fut qu'une étape dans l'évolution de l'éclairage électrique. Après son apparition, les scientifiques ont recherché d'autres systèmes. Certains souhaitaient trouver le moyen de faire fonctionner une ampoule sans filament.

Le design des ampoules fluorescentes. © FS

Au XIXe siècle, deux Allemands, le souffleur de verre Heinrich Geissler et le physicien Julius Plücker ont découvert qu'ils pouvaient produire de la lumière en retirant l'ensemble de l'air présent dans un long tube de verre et ce, en faisant passer un courant électrique à travers celui-ci. Cette innovation est connue sous le nom de tube Geissler. La particularité de cette formidable avancée est l'absence de filament dans le tube, l'élément principal qui assurait jusque-là la production de lumière dans une ampoule incandescente.

Dessins en couleurs des tubes de Geissler allumés. Inventé par le souffleur de verre allemand Heinrich Geissler en 1857, les tubes de Geissler étaient le premier type de néons. 1. Décharge en vapeur de l'alcool ; 2. Fluorescence de sulfure de calcium ; 4. Fluorescence de verre d'uranium ; 5. Fluorescence de sulfure de strontium ; 6. Fluorescence de verre de l'uranium et le sulfate de quinine. © Domaine public

À la même époque, Thomas Edison et Nikola Tesla (inventeurs et scientifiques spécialisés dans l'énergie électrique) ont expérimenté les ampoules fluorescentes dans leur atelier respectif, dans les années 1890, mais aucun ne s'aventura à commercialiser ces ampoules. Il a fallu attendre les travaux de Peter Cooper Hewitt au début du XXe siècle pour voir une véritable percée de la technologie fluorescente dans le domaine de l'éclairage. En effet, celui-ci créa un modèle d'ampoule fluorescente capable de produire une lumière bleu-vert en faisant passer un courant électrique à travers de la vapeur de mercure et en incorporant à l'ampoule un ballast (un système connecté à l'ampoule régulant le courant qui circule à travers le tube).

Peter Cooper Hewitt, l'inventeur de l'ampoule fluorescente fonctionnant à la vapeur de mercure. © Domaine public

Les ampoules fluorescentes de Peter Cooper Hewitt étaient plus efficientes que les ampoules incandescentes. Mais, à l'époque, elles n'avaient que peu d'utilité à cause de la couleur de la lumière produite. Autrement dit, elles n'étaient pas adaptées aux usages de l'époque.

Éclairage de l'Exposition universelle

À la fin des années 1920 et au début des années 1930, des chercheurs européens ont expérimenté des tubes de néon recouverts de phosphore (pour l'absorption des ultraviolets et la conversion de la lumière invisible en lumière blanche). Ces découvertes ont fortement aidé des chercheurs et des entreprises américaines d'éclairage qui ont expérimenté des ampoules fluorescentes lors de l'Exposition universelle de New York. Ces ampoules avaient une durée de vie plus importante que celle des ampoules incandescentes, et étaient de manière générale trois fois plus efficientes. Ces caractéristiques exceptionnelles constituent les principales raisons de leur rapide expansion dans le monde entier. Elles ont d'ailleurs été très utilisées lors de la Seconde Guerre mondiale : le besoin en ampoules économiques dans les usines de munitions américaines a fortement contribué à leur adoption rapide.

En 1951, l'ampoule fluorescente était omniprésente dans l'environnement commercial, grâce à ses caractéristiques techniques exceptionnelles.

Éclairage économique à la maison

C'est une pénurie d'énergie, la crise pétrolière mondiale de 1973, qui poussa les ingénieurs spécialisés dans l'éclairage à développer une ampoule fluorescente utilisable dans un environnement domestique. En 1974, des ingénieurs du département de recherche et développement de l'entreprise Sylvania (fabricant de produits d'éclairage) cherchaient à savoir comment ils pouvaient réduire la taille du ballast d'une ampoule dans le but de l'insérer directement à l'intérieur de l'ampoule. Le but étant de faciliter la manipulation de l'ampoule en la rendant plus compacte. Après qu'ils ont découvert la solution, ils se sont rapidement mis à travailler sur un brevet pour protéger leurs travaux, sans savoir comment lancer une production de masse de leur découverte.

Et pour cause, le matériel utilisé à l'époque par Sylvania, et de manière générale par l'ensemble des fabricants d'ampoules, n'était pas adapté à la production de leur découverte. Deux années plus tard, en 1976, Edward Hammer, ingénieur chez General Electric, trouva le moyen de plier le tube pour obtenir une forme spirale, créant au passage la première lampe fluorescente compacte (LFC). À l'époque, comme Sylvania, le groupe General Electric prit la décision de ne pas produire cette ampoule car les machines nécessaires à sa production étaient jugées trop coûteuses.

Ampoule compacte fluorescente. © Sun Ladder, CC by-nc 3.0

Les ampoules compactes fluorescentes ont été commercialisées au milieu des années 1980 au prix de 20/30 €, prohibitif pour la plupart des consommateurs qui avaient l'habitude de payer quelques euros pour une ampoule incandescente. Mais le prix n'était pas le seul problème : les premières ampoules de ce type étaient de grande taille et très volumineuses, elles ne convenaient pas aux douilles utilisées à l'époque, elles avaient un faible flux lumineux, un faible rendu de couleurs et n'étaient pas compatibles avec un variateur.

Depuis les années 1990, les améliorations apportées à la LFC ont été nombreuses. Elles ont permis entre autres d'en réduire la taille, améliorer le design, réduire le temps d'allumage et baisser le prix. Toutes ces avancées en ont fait une sérieuse option d'éclairage pour des usages domestiques et commerciaux. Cependant, ce sont les promesses d'une diminution des émissions de carbone et d'une plus faible consommation d'énergie qui, 30 ans après leur mise sur le marché, font la popularité de l'ampoule compacte fluorescente loin devant les ampoules incandescentes. En effet, elles utilisent 75 % d'énergie en moins et ont une durée de vie dix fois plus longue.