Tecnologia LED e effetti fisiologici della luce

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Una corretta funzionalità e sincronizzazione del ritmo circadiano è resa possibile con l’allineamento dell’orologio biologico principale e di quelli periferici

Nell’ultimo decennio il concetto di comfort luminoso si è ampliato significativamente in diverse direzioni, che hanno richiesto nuove e più complesse metriche.

Mentre un primo esame può essere basato su parametri relativamente immediati, come temperatura di colore e resa cromatica, è scientificamente dimostrato come l’intensità della sorgente, lo spettro, la durata, la distribuzione e la temporizzazione dell’esposizione siano di fondamentale importanza per il benessere dell’individuo, nonchè particolarmente importanti nell’allineamento del ritmo circadiano

Il ritmo circadiano (“circa diem” o “nel corso di un giorno”), termine coniato negli anni 50 dal dr. Franz Halberg, uno dei fondatori della moderna cronobiologia, è basato sulla capacità di regolazione dei ritmi vitali da parte degli organismi e ha una durata di circa 24 ore.

Il ritmo circadiano viene mantenuto in fase grazie all’influsso di segnali ambientali che possono ripristinarlo quotidianamente; tra questi, la temperatura ed il ciclo luce-buio rappresentano i più importanti fattori in grado di regolare l’orologio biologico.

Nell’occhio umano vi sono recettori specifici della luce dedicati a regolare il ritmo circadiano, che non partecipano alla percezione visiva, i gangli fotosensibili, presenti nella retina assieme a coni e bastoncelli. Recenti studi scientifici [1] hanno dimostrato che questi gangli fotosensibili sono basati sulla melanopsina, un fotopigmento dotato di un picco di assorbimento alla lunghezza d’onda di circa 480 nm, ovvero nella regione del blu-ciano.

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Struttura della retina. Sono visibili i coni, i bastoncelli e i gangli fotosensibili basati sulla melanopsina (courtesy: Springer)

Una corretta funzionalità e sincronizzazione del ritmo circadiano è resa possibile con l’allineamento dell’orologio biologico principale e di quelli periferici: desincronizzazioni sia tra l’orologio biologico principale e gli orologi periferici, sia tra i diversi orologi periferici, innescano un’“interruzione circadiana” con effetti sul sonno, deficit nella vigilanza e nell’attenzione, problemi di digestione e ridotte prestazioni fisiche [2].

Sono stati riportati risultati scientifici che indicano come il ritmo circadiano sia influenzato in particolare dalle forti variazioni di intensità luminosa durante il ciclo luce-buio nelle 24 h, e dal valore dell’intensità totale della luce, in particolare nella regione spettrale compresa tra 475 e 495 nm.

In questa direzione un recente studio condotto dal LRC[3] ha evidenziato come l’esposizione a luce rossa o blu in intervalli prestabiliti durante il lavoro al videoterminale può: a) favorire la stabilità del ritmo circadiano, b) promuovere il sonno, c) ridurre lo stato di assopimento dopo il pranzo.

La roadmap dell’illuminazione HCL

I produttori di dispositivi e sistemi di illuminazione a LED stanno proponendo prodotti sempre più mirati a tecnologie definite Human Centric Lighting (HCL), che basano la progettazione sull’analisi degli effetti della luce sull’uomo.

L’approccio concettualmente più semplice consiste nel rendere lo spettro della sorgente artificiale il più simile possibile, come spettro, intensità e distribuzione angolare, a quello della radiazione solare producendo così uno stimolo sulla retina corrispondente a quello naturale e ottenendo un buon effetto di eccitazione degli SCN.

La tecnologia ‘OptiSolis’ (di Nichia Corporation) sfrutta una struttura LED phosphorconverted, dove una “pompa” LED monocromatica blu (circa 445 nm) eccita diversi materiali fosforescenti (o “fosfori”).

Utilizzando fosfori con almeno 3 diverse lunghezze d’onda di emissione e un opportuno bilanciamento, questa tecnologia permette rese cromatiche elevate e un’ottima aderenza allo spettro solare.

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Tecnologia ‘OptiSolis’, con spettro a 5000 e a 3000 K e temperatura di giunzione 85° (courtesy: Nichia Corporation)

La tecnologia ‘Sunlike’ (di Seoul Semiconductor) si basa invece sull’utilizzo di una “pompa” LED viola (a circa 420 nm) abbinata a materiali fosforescenti appartenenti alla tecnologia TRI-R sviluppata da Toshiba Chemical.

I fosfori TRI-R rendono possibile anche l’emissione blu attraverso la conversione di lunghezza d’onda, per ottenere uno spettro particolarmente uniforme anche alle lunghezze d’onda corte. Se la tecnologia Sunlike permette uno spettro maggiormente ricco, l’emissione di radiazione viola potrebbe rappresentare un limite, perché aumenta il rischio di degradazione dei pigmenti nelle applicazioni museali, e di danno retinico fotobiologico da luce blu: nelle soluzioni HCL si suggerisce per questo che la radiazione sia emessa da una sorgente di grandi dimensioni o da più sorgenti distribuite, per ridurre il potenziale danno fotobiologico della radiazione viola.

Metodiche differenziate

Un diverso approccio consiste nello sviluppo di soluzioni spettrali specifiche per favorire o inibire l’eccitazione dei gangli fotosensibili: in questo senso, gli esempi sono due soluzioni proposte da Nichia, ‘VitaSolis’ e Soraa (‘healthy’), si basano su meccanismi opposti.

La tecnologia ‘VitaSolis’ inserisce nella miscelazione cromatica maggiori quantità di luce blu, ciano e verde rispetto alle soluzioni LED tradizionali, grazie ad un differente mix di fosfori, per ottenere una sorgente in grado di massimizzare l’eccitazione dei gangli fotosensibili e quindi lo stato di allerta e sveglia dell’individuo.

La tecnologia ‘healthy’ di Soraa punta a ridurre invece il più possibile la quantità di luce blu in una sorgente a luce bianca (fino al 40% in meno rispetto ad una sorgente LED tradizionale) e si basa sull’utilizzo di una sorgente LED viola che eccita fosfori verdi, gialli e rossi, ottenendo un avvallamento spettrale nella regione del blu. Per la presenza della radiazione viola, la resa cromatica non viene particolarmente influenzata, con un degrado potenzialmente poco influente.

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La tecnologia ‘healthy’ Bluefree di Soora (courtesy: Soora)

Queste soluzioni sono però di scarso effetto senza un sistema di controllo adeguato. Lightcube srl, Spin-off dell’Università di Padova, lavora da anni con i propri partner aziendali per l’innovazione e lo sviluppo di nuove soluzioni HCL integrate.

L’obiettivo è sviluppare nuovi sistemi e protocolli di gestione e interazione uomo/ambiente/ macchina al fine di garantire il massimo effetto sul benessere, sulla produttività e sulla percezione dell’individuo, senza tralasciare l’efficienza energetica: un eccellente esempio di questa tecnologia è nato in collaborazione con Artemide, nel sistema Artemide ‘TargetPoint’, in grado di aprire un dialogo tra la luce desiderata e progettata e l’ambiente circostante valorizzando come l’uomo vive lo spazio.

In conclusione, la progettazione dello spettro delle sorgenti ed il loro controllo accurato sono gli aspetti più importanti per lo sviluppo futuro dello Human Centric Lighting: nuovi studi scientifici serviranno a dimostrare l’efficacia delle nuove soluzioni e a identificare una metrica per valutare oggettivamente gli effetti di un sistema di illuminazione sul benessere dell’individuo.

(a cura di Nicola Trivellin¹², Diego Barbisan², Enrico Zanoni³)

  • ¹ Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Padova, dei.unipd.it
  • ² LightCube SRL, light-cube.com
  • ³ Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università di Padova,        dei.unipd.it

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BIBLIOGRAFIA

[1] H. J. Bailes and R. J. Lucas, “Human melanopsin forms a pigment maximally sensitive to blue light supporting activation of Gq/11 and Gi/o signalling cascades”, Proc. R. Soc. B Biol. Sci., vol. 280, no. 1759, p. 20122987, 2013.

[2] M. G. Figueiro, “Disruption of Circadian Rhythms by Light During Day and Night”, Curr. Sleep Med. Reports, vol. 3, no. 2, pp. 76–84, Jun. 2017.

[3] Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York, USA https://www.lrc.rpi.edu/programs/lighthealth/ pdf/GSA_Office_alertness.pdf

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