Tässä hieno kirjoitus keinovalon kehityksestä. Kirjoittajat ovat:
LIISA HALONEN, tekniikan tohtori, professori
liisa.halonen@hut.fi
MARJUKKA ELOHOLMA, tekniikan tohtori, tutkija
Teknillinen korkeakoulu, valaistuslaboratorio
Otakaari 5, 02015 TKK
Valolla on ollut aina suuri merkitys ihmiselle. Valo on ollut elintärkeä ihmisen arkiaskareissa, ja se on mahdollistanut monipuolisen toiminnan. Sähkövalon historia on lyhyt verrattuna koko keinovalon historiaan, mutta sähkövalolla on ollut suuri vaikutus yhteiskunnallisessa ja teollisessa kehityksessä.
Kun muinaisaikojen ihminen oppi tekemään tulta, tuli hänestä samalla ensimmäinen keinovalaistuksen käyttäjä. Tulisija oli entisaikojen ihmisille ruoanlaiton ja lämmityksen lisäksi myös valon lähde. Tuli antoi ihmiselle pientä vapautta yön pimeydestä ja turvaa näkymättömiltä yön pedoilta. Aikaa myöten havaittiin, että pihkaiset puut antavat tulisijassa kirkkaampaa valoa. Seuraava askel oli kerätä pihkaa puukepin päähän ja sitoa useampi puukeppi yhteen, jolloin syntyi soihtu ja puukeppi toimi enää vain kädensijana. Oli kehitetty ensimmäinen kannettava valaisin.
Esihistorialliset ihmiset käyttivät primitiivisiä lamppuja valaistakseen luolansa. Näitä lamppuja valmistettiin saatavilla olevista materiaaleista kuten kivestä, simpukankuorista ja sarvista, ja ne oli täytetty rasvalla. Kuuluisista Lascaux'n luolista Ranskasta on löydetty satoja tällaisia lamppuja, joiden iäksi on arvioitu noin 17 000 vuotta.
Keskiajalla öljylamppua paranneltiin, ja olipa Leonardo da Vincilläkin osansa kehitystyössä. Leonardo oli paitsi taiteilija myös tiedemies. Hän tutki mm. valon luonnetta, heijastumista ja taittumista. Hän keksi vuonna 1480 tehdä öljylampun liekin päälle savupiipun, jonka vaikutuksesta lisääntynyt veto kirkasti liekkiä. Suomessa oli keskiajalla käytössä omalaatuinen öljylamppu, jonka säiliönä toimi koverrettu nauris ja sydämenä pellavainen punos ja polttoaineena käytettiin hamppuöljyä. Tällaisia naurislamppuja käytettiin vielä 1700-luvulla paljonkin maamme pappiloissa.
Kaupunkikulttuurin kehittyessä huolestuttiin kadulla liikkuvien turvallisuudesta yöaikaan. Euroopan kaupungeissa öiset kulkijat kuljettivat 1600-luvulla mukanaan öljylyhtyä. Pariisissa otettiin ensiaskelia kohti katuvalaistusta 1650-luvun jälkeen, jolloin lyhyiden katujen molemmissa päissä oli öljylyhdyt. Pidemmillä kaduilla lyhtyjä asetettiin myös keskivälille. Berliinissä annettiin käsky, jonka mukaan joka kolmannen talon asukkaan oli laitettava yöllä palava lyhty talonsa ulkopuolelle ja lyhtyä tuli ylläpitää yhdessä naapurien kanssa. Helsingin kaduilla ensimmäiset valot olivat öljylyhtyjä, joita otettiin käyttöön vuonna 1818. Historia kertoo, että nämä öljylyhdyt valaisivat lähinnä itsensä eivätkä niinkään katuja. Niinpä kaduilla kuljettiin pimeällä kannettavien öljylyhtyjen kanssa.
Yksi kehitysaskel öljylampun historiassa oli uuden polttoaineen valopetrolin keksiminen vuonna 1859. Aluksi nämä petrolilamput olivat vaarallisia, sillä raakapetroli sisälsi bensiiniä, joka helposti saattoi räjäyttää koko lampun. Tislauksen myötä tämä ongelma poistui ja petrolilamppu yleistyi nopeasti kotikäytössä.
Kynttilä keksittiin noin vuonna 400 jKr., mahdollisesti jo hiukan aiemmin. Ennen 1300-lukua ei kynttilöitä suuremmin vielä kodeissa käytetty, mutta niillä oli tärkeä asema esimerkiksi kirkoissa. Parhaat kynttilät valmistettiin mehiläisvahasta, ja niitä käytettiin kirkollisissa rituaaleissa, koska mehiläistä pidettiin puhtauden symbolina. Sittemmin kynttilöiden käyttö yleistyi. Ennen steariinikynttilöitä käytettiin vaha- ja talikynttilöitä. 1500-luvun lopun kynttilät vaativat vahtimista, minkä tiedetään aiheuttaneen harmia mm. tuon ajan kirjailijalle Shakespearelle. Erään Shakespearen näytelmän esityksessä avustajien tehtävänä oli huolehtia lavalla palavista kynttilöistä, jotta liekki ei alkaisi savuttaa. Jotta kynttilöiden valo pysyisi kirkkaana, avustajat joutuivat jatkuvasti astelemaan näyttämön poikki, jopa draaman kiihkeimmillä hetkillä, minkä tiedetään aiheuttaneen taiteellista harmia esitystä seuranneelle Shakespearelle.
Myöhemmin opittiin valmistamaan helppohoitoisempia ja tasalaatuisempia kynttilöitä. Vuonna 1823 opittiin valmistamaan steariinista kynttilöitä, jotka eivät enää valuneet. Valaanöljystä puolestaan saatiin erityisen tasalaatuisia kynttilöitä, joita käytettiin 1860-luvulla myös valonmittauksen standardina.
Kaasun käyttö valaisuun alkoi Euroopassa 1800-luvulla, kun öljy- ja petrolilampun rinnalle tuli kivihiilikaasulla toimiva kaasulamppu. Keksintö ei kuitenkaan ollut uusi, sillä kiinalaiset osasivat käyttää maakaasua valaistukseen jo satoja vuosia ennen ajanlaskumme alkua.
Kaasuvalaistuksen yleistyminen Euroopassa liittyi läheisesti kaupungistumiseen ja teollistumiseen. Euroopassa ensimmäinen pysyvä kaasuvalaistus tehtiin Birminghamin teollisuuskeskukseen vuonna 1802. Lontoon katuvalaistuksessa oli käytössä noin 40 000 kaasulamppua vuonna 1823. Kaasuvalon etuna oli sen helppokäyttöisyys. Kaasuvaloon liittyi myös riskinsä, mikä koitui useiden teatterirakennusten kohtaloksi. Teattereihin tarvittiin valoa, ja kaasun käyttö valaistuksessa oli ensimmäinen todellinen edistysaskel teatterivalaistuksessa. Englannissa Covent Gardenissa kaasuvalaistus oli käytössä jo 1817. Lontoon teattereista Haymarket siirtyi viimeisenä kaasuvalaistukseen vuonna 1843, jolloin kynttilät ja öljylamput tekivät tilaa tälle uuden ajan valaistukselle. New Yorkin teattereista mainittakoon Bowery Theater, joka koki vastoinkäymisiä kaasuvalon kanssa. Se ehti palaa peräti yhdeksän kertaa ennen kuin se purettiin vuonna 1930. On kerrottu, että useita satoja teattereita paloi Euroopassa ja Yhdysvalloissa kaasuvalon varomattoman käytön seurauksena.
Öljylyhtyjä paremmin valaisevat kaasulyhdyt tulivat myös Helsingin kaduille 1860-luvulla. Viimeiset kaasulyhdyt poistettiin Helsingistä 1946.
Sähkön tulon valaistukseen voidaan sanoa saaneen alkunsa jo 1600-luvun loppupuolella, tosin vasta ilmiön keksimisen asteella. Tällöin saksalainen von Guericke havaitsi, että rikkipalloa hangattaessa sähkö aiheuttaa heikkoja valoilmiöitä. Hauskbee puolestaan huomasi ohennetulla ilmalla täytetyn lasipallon alkavan hohtaa valoa sähköiseksi hangattuna. Vaikka keksintö oli merkittävä, ei sillä ollut käytännön merkitystä, sillä palloa piti jatkuvasti hieroa valon ylläpitämiseksi.
Matkalla kohti hehkulampun keksimistä koettiin vielä merkittävä sähköön liittyvä valaistuskeksintö. Englantilainen Davy sai vuonna 1809 Napoleonin palkinnon vuoden parhaasta sähkökeksinnöstä. Oli keksitty valokaari: pariston napoihin kytkettyjen hiilikärkien välille syntyi kirkasta valoa säteilevä alue, kun kärjet olivat sopivalla etäisyydellä toisistaan. Hiilikärkien väliä säätämään tarvittiin kuitenkin jatkuvasti hoitaja, joten tämäkään keksintö ei vielä tuonut käytännön ratkaisuja sähkövalaistukseen.
Venäläinen Jablochkoff rakensi Pariisissa vuonna 1876 käyttökelpoisen kaarilampun. Tässä ns. Jablochkoffin kynttilässä kaarilampun hiilet olivat vierekkäin toisistaan eristettyinä, ja koska molemmat sauvat lyhentyivät yhtä nopeasti, ei tarvittu säätäjää tai säätölaitetta. Kun näitä kynttilälamppuja kytkettiin useita peräkkäin, saatiin kirkas valonlähde. Näin tiedetään valaistun tavarataloja Pariisissa vuonna 1877. Koteihin ei tätä valonlähdettä voitu ajatella sen suuren kirkkauden takia. Haittapuolena oli myös huono käytettävyys: yksi kynttilä paloi vain noin puolitoista tuntia.
Mielenkiintoinen sovellus kaarilampulle liittyi ajatukseen sen käytöstä kaupunkivalaistuksessa 1880-luvulla. Nykyisinkin huikealta tuntuva ajatus oli, että kirkkaalla kaarilampulla ratkaistaan koko kaupungin valaistus asettamalla yksi tai useampi »keinoaurinko» korkealle kaupungin kattojen yläpuolelle. Monissa yhdysvaltalaisissa kaupungeissa tätä ajatusta kokeiltiinkin.
Ranskalainen sähköinsinööri Sébillot matkaili Amerikassa ja sai sieltä »loistavan» idean Pariisin valaisuun. Yhdessä arkkitehti Bourdais'n kanssa hän suunnitteli 360 m korkean tornin, jolla voitaisiin valaista koko Pariisi viiden ja puolen kilometrin säteellä yhdellä ainoalla valonlähteellä tornin huipulta. Herrat jättivät suunnitelmansa vuoden 1889 Pariisin maailmannäyttelyä varten julkistettuun monumenttikilpailuun nimellä Colonne-Soleil, Suuri aurinkotorni. Tälle huikean korkealle tornille kaavailtiin myös rinnakkaiskäyttöjä; sen ylätasanteella olisi ollut näköalapaikka tuhannelle turistille ja tornissa olisi ollut huoneita ilmaterapiaa tarvitseville. Maailmannäyttelyn monumenttikilpailuun tuli vain kaksi ehdotusta, ja aurinkotorni jäi toiselle sijalle. Voiton vei sillanrakennusinsinööri Gustaf Eiffel omalla torniehdotuksellaan. Mikä olisikaan ollut Pariisin tunnus ja maamerkki, jos kisassa olisi käynyt toisin? Kilpailun tuomaristo perusteli Eiffelin tornin hyväksi tehtyä päätöstä sillä, että yksi aurinkotorni ei ennen pitkää kaupungin kasvaessa riittäisi ja korkea torni olisi myös kohde terroristeille, joita jo 1800-luvun lopulla pelättiin.
Hehkulamppu keksittiin virallisesti 1800-luvun lopulla. Kuitenkin jo 1850-luvun vaiheilla kehitystyö hehkulampun ja siihen tarvittavien tekniikoiden työstämisessä oli vilkasta eri puolilla maailmaa. Vuosina 1840–78 tietoon tuli useita keksintöjä, mutta mikään niistä ei vielä johtanut käytännön ratkaisuihin.
Yhdysvaltalainen Thomas Alva Edison on jäänyt historiankirjoihin hehkulampun keksijänä. Yhtä onnekkaita eivät olleet kanadalaiset Henry Woodward ja Matthew Evans, jotka patentoivat hehkulampun v. 1875, mutta epäonnekseen heillä ei ollut rahoitusta keksintönsä kaupallistamiseen. Itse asiassa Edison osti oikeudet tähän patenttiin, ja kehitystyönsä jälkeen hän sitten esitteli ensimmäisen kaupalliseen valmistukseen soveltuvan hehkulampun 21.10.1879.
Edison oli paitsi tuottelias keksijä myös ansiokas PR-mies, joka ymmärsi julkisuuden ja rahamaailman tuen tärkeyden tuotteistuksessa. Vuonna 1878 hänen ystävänsä patenttiasianajaja Lowrey auttoi keräämään 300 000 dollarin pääoman sijoittajilta tukemaan Edisonin työtä. Samana vuonna perustettiin Edison Electric Light Company. Edisonilla oli suuri merkitys sähkön ja sähkövalaistuksen käytön yleistymisessä. Hän oivalsi, että pelkkä lamppu ei riitä, vaan vasta sähköenergian tehokas jakelu turvaisi hehkulampun menestymisen. Edison suunnittelikin erilaisia komponentteja sähkön tuottoa ja jakelua sekä sähkövalaistuksen käyttöönottoa varten.
Uudenvuodenaattona 1879 koettiin ihastelun ja ihmetyksen hetkiä, kun Edison järjesti ensimmäisen yleisen demonstraation uudesta keksinnöstään: New Jerseyn Menlo Parkin katuja, rautatieasemaa ja Edisonin laboratoriota valaistiin sadalla hehkulampulla. Tätä ihmettä ihastelemaan erikoisjunat kuljettivat paikalle joukoittain ihmisiä.
Englantilaiset puolestaan pitävät Sir Joseph Swania hehkulampun keksijänä. Swan oli tehnyt kehitystyötä useiden hehkulampun käytännön valmistukseen liittyvien ongelmien parissa 30 vuotta. Swanin nimiin on kirjattu hehkulamppukeksintö 18.12.1878, siis vuotta ennen kuin Edison esitteli ensimmäisen kaupallisen lamppunsa. Runsaan kuukauden kuluttua siitä, kun Edison esitteli ensimmäisen lamppunsa, Swan joutui esittelemään toimivan hiililankahehkulampun Englannissa 3.2.1879 todistaakseen uudelleen keksintönsä. Swanilla ei kuitenkaan ollut varallisuutta eikä PR-taitoja, joita olisi tarvittu lampun massatuotannon aloittamiseksi. Vaikka Edison olikin saanut nimiinsä hehkulampun patentin Englannissa, sopivat Edison ja Swan myöhemmin patenttikiistansa ja perustivat yhteisen yrityksen Englantiin.
Pariisin maailmannäyttelyssä 1881 hehkulamppu tuli yleiseen tietoisuuteen Euroopassa. Aiempiin valaistustapoihin verrattuna hehkulampun ylivertaisia ominaisuuksia olivat helppohoitoisuus ja soveltuvuus kotikäyttöön.
Suomi oli edelläkävijämaita Euroopassa sähkövalon käyttöönotossa. Tähän vaikutti merkittävästi se, että Finlaysonin johtajan Wilhelm von Nottbeckin poika Carl von Nottbeck työskenteli 1870- ja 1880-lukujen vaihteessa Edisonin tehtaassa Yhdysvalloissa. Carl von Nottbeck teki Edisonin kanssa sopimuksen, jonka mukaan hän lähti yrittämään New Yorkiin rakennettavaa ensimmäistä sähkölaitosta vastaavan laitoksen rakentamista kaukaiseen Pohjolaan, Tampereen Finlaysonin tehdaslaitokseen. Suomessa sähkövalon epäilijät jäivät varjoon, kun tehtaan kutomosalissa sytytettiin 150 hehkulamppua 15.3.1882. Asennustarvikkeet valmistettiin kaikki itse Finlaysonin tehtaan puusepänverstaassa, jossa syntyivät puusta niin lampunpitimet, asennuslistat kuin muutkin tarvittavat sähkötarvikkeet. Edison-yhtiön tiedotuslehden numerossa 6 kerrotaan Edisonin saaneen 17.3.1882 valojen syttymisestä kaapelisähkeen: »Valaistus asennettu 61. leveysasteelle. Täydellinen menestys».
Edisonin hehkulamput olivat syttyneet vain neljässä paikassa Euroopassa ennen Finlaysonin tehdasta, kaikki vuosien 1881 ja 1882 vaihteessa eli vain muutamaa kuukautta aiemmin.
Täysin toisentyyppinen valontuottotapa hehkulangan lämpenemiseen verrattuna on kaasupurkaus. Suljetussa tilassa olevan kaasun lämpötilan kasvaessa syntyy kullekin kaasuyhdisteelle ominaista säteilyä. Purkauslamppujen kehityksessä ovat tavoitteina olleet hehkulamppuun nähden suurempi valotehokkuus, pidempi polttoikä ja valon vaihtoehtoiset väriominaisuudet.
Heti uuden vuosisadan kynnyksellä vuonna 1901 keksijä Hewitt esitteli elohopeahöyryyn perustuvan purkauslampun. Kaasu oli suljettu noin 1,2 m pitkään lasiputkeen ja syntynyt valo oli väriltään sinivihreää. Vuonna 1934 tämän pohjalta kehitettiin vastaavantyyppinen lamppu, jolla voitiin tuottaa valoa suuremmalla teholla pienemmässä tilassa. Elohopealamppuja käytetään vieläkin esimerkiksi katuvalaistuksessa, mutta tehokkaammin valoa tuottavat purkauslamput ovat myöhemmin syrjäyttäneet ne osittain.
Elohopeahöyrylamput olivat edelläkävijöitä loistelampuille. Kun tiedettiin, että elohopeahöyry säteilee paljon silmille näkymätöntä ultraviolettisäteilyä, keksittiin päällystää purkausputken seinämät fluoresoivalla aineella, joka muuttaisi siihen osuvan ultraviolettisäteilyn näkyväksi valoksi. Loistelamput esiteltiin yleisölle ensimmäisen kerran vuonna 1937 New Yorkin messuilla. Ne alkoivat yleistyä 1940-luvulla, ja Suomessa ensimmäiset loistelamput otettiin käyttöön 1941. Loistelamppujen käyttööntuloa voidaan pitää eräänlaisena taitekohtana sähkövalaistuksen historiassa. Kun lamppujen valotehokkuutta saatiin kasvatettua, polttoikää pidennettyä ja lamppujen väriominaisuuksia monipuolistettua, voitiin sähkövalolla osittain korvata jopa päivänvaloa.
Natriumhöyryyn perustuvan purkauslampun kehitys alkoi 1920-luvulla, jolloin valmistettiin ensimmäiset pienpaineiseen natriumpurkaukseen perustuvat lamput. Matalassa natriumhöyryn paineessa syntyvä säteily on monokromaattista, ja sille on ominaista oranssinkeltainen väri. Värien toistosta ei säteilyn monokromaattisuuden takia voi puhua, mutta ehdoton etu on lampun suuri valotehokkuus. Nykyisten pienpainenatriumlamppujen valotehokkuus on jopa 200 lm/W.
Natriumhöyryn paineen kasvaessa purkauksen synnyttämän valon spektri levenee ja keltaisuus vähenee. Suurpainenatriumlamppujen kehitys alkoi 1950-luvulla. Ensimmäiset tällaiset lamput tulivat markkinoille 1965. Lamppujen hyviin ominaisuuksiin kuuluu suuri valotehokkuus; nykyisin se on noin 140 lm/W. Pienpainenatriumlamput ovat kooltaan suuria, ja niiden käyttökohde on pääasiassa tievalaistus. Suurpainenatriumlamppuja käytetään myös tie- ja katuvalaistuksessa ja lisäksi mm. ulkoalue- ja teollisuusvalaistuksessa.
Purkauslampuista oma lajinsa ovat monimetallilamput, joiden purkausputkessa käytetään eri metalliyhdisteitä. Niiden valo sisältää kullekin metallihalogeeniyhdisteelle ominaista säteilyä. Monimetallilamput tulivat markkinoille 1960-luvulla. Nykyään niitä on saatavana useita eri tyyppejä, joiden valontuotto- ja väriominaisuudet ovat erilaiset.
Valon vaikutusta näkemiseen on pitkälti kuvattu ja mallinnettu verkkokalvon tappi- ja sauvasolujen avulla. Vuonna 1722 hollantilainen Antony van Leeuwenhoek teki ensimmäiset havainnot näistä soluista. Vuonna 1834 saksalainen Gottfried Treviranus varmisti näiden olevan »valoherkkiä reseptoreita». Kansainvälisen valaistusjärjestön CIE:n vuonna 1924 julkaisemaa ns. päivänäkemisen spektriherkkyysfunktiota on myös selitetty pitkälti tappisolujen aallonpituusvastetta kuvaavaksi käyräksi.
Yli 150 vuoden ajan uskottiin, että sauvat ja tapit ovat ainoita valoreseptorisoluja ihmissilmässä. Yhdysvaltalainen tutkimusryhmä teki kuitenkin vuonna 2002 mullistavan havainnon: se löysi kolmannentyyppisen valoreseptorin nisäkkään verkkokalvolta. Tätä reseptoria pidetään puuttuneena renkaana, joka auttaa kuvaamaan valon aiheuttamien biologisten vaikutusten mekanismeja. Uskotaan, että valon vaikutukset ulottuvat paljon pidemmälle kuin näkemiseen. Biologiset vaikutukset tarkoittavat, että hyvällä valaistuksella voi olla positiivisia vaikutuksia ihmisen terveyteen, hyvinvointiin, vireystilaan ja unen laatuun (Leppämäki, tässä numerossa). Sauva- ja tappisolujen valoherkkyyden tavoin myös kolmannen valoreseptorin herkkyys vaihtelee valon aallonpituuden mukaan. Maksimiherkkyys valon biologisille vaikutuksille on kuitenkin eri aallonpituusalueella kuin näkemisen spektriherkkyyden maksimi, millä uskotaan olevan merkittäviä vaikutuksia tulevaisuudessa terveellisen valaistuksen määrittämisessä.
Vuonna 2005 kirjoitettu katsaus keinovalon historiasta ei voi olla päättymättä LEDeihin (light emitting diodes). Nämä puolijohdekomponentit kehitettiin 1960-luvulla, mutta valaistuksen tarpeisiin on niiden kehitystyössä panostettu merkittävästi vasta 1990-luvulta alkaen. LEDien etuina valonlähdemarkkinoilla ovat niiden pieni koko, pitkä polttoikä, valotehokkuus (kasvaa jatkuvasti), kestävyys sekä mahdollisuudet säätää valon intensiteettiä ja väriä.
LEDit tarjoavat täysin uusia tapoja toteuttaa valaistuksia, ja niiden ennustetaan mullistavan valaistuskäytännön lähivuosien aikana. Kun Edison 1870-luvulla ryhtyi kehittämään hehkulamppua senaikaisen kaarilamppuvalaistuksen sijalle, hänen kerrotaan todenneen nähdessään kahdeksaan kaarilamppuun perustuvan valonlähteen: »Näin, että se mitä on tehty, ei ole vielä käytännössä hyödyllistä. Kirkasta valoa ei ole jaettu osiin niin, että se voitaisiin tuoda yksityiskoteihin.» Onkin totta, että hehkulampusta tuli oiva kotien valonlähde, ja se mullisti aikansa. Nyt runsas vuosisata Edisonin keksinnön jälkeen, kun pienet LEDit tekevät tuloaan yleisvalaistukseen, ollaan ehkä taas uuden askeleen edessä: valonlähteet voidaan jakaa osiin niin, että valoa tuodaan pieninä yksikköinä esimerkiksi kalusteisiin integroituna sinne, missä sitä mm. kotien, työpaikkojen ja liikenteen erilaisissa toiminnoissa tarvitaan.
Pitkä matka on tultu valon ja ihmisen matkassa luolaihmisten nuotiotulista väriä ja intensiteettiä muuttavaan LED-valaistukseen. Matka jatkuu, sillä tutkimus- ja kehitystyötä tehdään niin valonlähteiden kuin entistä tehokkaampien ja ihmisläheisempien valaistustapojen kehittämisessä.
Valolla uskotaan olevan ihmiseen myös sellaisia biologisia vaikutuksia, joita vielä emme tunne. Uusin tutkimusalue on valaistus- ja aivotutkimuksen yhdistäminen pyrittäessä selvittämään valon fysikaalisia ja biologisia vaikutuksia ihmisen näkemiseen, toimintaan ja terveyteen. Tässä tutkimustyössä on myös Teknillisen korkeakoulun valaistuslaboratorio mukana.
English 
Finnish