Ein neues Design für einen Laser, der mit Sonnenlicht betrieben wird, wurde von Forschern in Algerien und Portugal vorgestellt. Der Solarlaser, der noch im Labor gebaut werden muss, soll mit einem höheren Wirkungsgrad arbeiten als bestehende Systeme und könnte zahlreiche Anwendungen haben – einschließlich eines weltraumgestützten Systems zur Gewinnung von Sonnenenergie zur Nutzung auf der Erde.
Die Verwendung von Sonnenlicht als Pumpquelle zur Erzeugung von Laserlicht wurde seit den 1960er Jahren umfassend erforscht. Aktuelle Technologien können verwendet werden, um kostengünstige Lasersysteme mit hoher Leistung und Helligkeit herzustellen.
In den letzten zehn Jahren wurden zahlreiche Fortschritte bei Solarlasern erzielt – aber bestehende Designs können durch die Verwendung eines einzigen großen Laserstabs eingeschränkt werden. Dieser Stab ist das Verstärkungsmaterial, das durch die Energie, die es von der Pumpquelle erhält, Laserlicht erzeugt. Einstab-Solarsysteme sind in der Regel teuer und leiden unter ungleichmäßigen Temperaturverteilungen innerhalb des Stabs, was die Qualität des erzeugten Strahls verringert.
Numerische Simulationen
Diese neueste Arbeit wurde von Rabeh Boutaka am Zentrum für die Entwicklung fortschrittlicher Technologien in Algier durchgeführt. Dawei Liang an der NOVA University Lisbon und Abdelhamid Kellou an der University of Science and Technology Houari Boumediene. Das Trio führte numerische Simulationen durch, um ihnen bei der Entwicklung eines optimaleren Solarlaser-Setups zu helfen. Ihr vorgeschlagenes System würde im TEM arbeiten00 optischer Modus: der fundamentale Lasermodus niedrigster Ordnung, bei dem die Intensität des Lichts, das das Zentrum des Strahls umgibt, einer einfachen Gaußschen Verteilung folgt. Das Design des Teams sammelt Sonnenlicht mit vier Parabolspiegeln mit einer Gesamtfläche von 10 m2.
Solarzelle geht nach Sonnenuntergang weiter
Sobald dieses Licht geerntet wurde, wird es zu einem Laserkopf geleitet, wo es gleichmäßig auf vier Quarzglaskonzentratoren und Lichtleiter verteilt wird. Schließlich wird das Licht verwendet, um gleichzeitig vier Laserstäbe mit kleinem Durchmesser zu pumpen – wobei der Aufbau dafür sorgt, dass die Pumpleistung gleichmäßig auf die Stäbe verteilt wird. Infolgedessen vermeidet das Design die Einschränkungen, die durch thermische Linsenbildung entstehen – ein unerwünschter Effekt, bei dem Temperaturunregelmäßigkeiten in einem optischen Material die Lichtwege beeinflussen.
Insgesamt berechnete Boutakas Team, dass ihre Änderungen die Lichtsammlungseffizienz von Solarlasern, die im TEM arbeiten, verdoppelten00 Modus, was zu einer 1.24-fachen Sonnenlicht-zu-Laser-Umwandlungseffizienz im Vergleich zu früheren Designs führt. Die Forscher sehen zahlreiche potenzielle Anwendungen für ihr Design: darunter bessere Methoden zur Überwachung der Erdoberfläche und Atmosphäre mit Satelliten; zusammen mit der Entfernung von Weltraumschrott und der Weltraumkommunikation.
Die vielleicht faszinierendste Anwendung ist die Entwicklung neuer Formen der Solarenergieerzeugung. Hier schlagen Boutaka und Kollegen vor, dass Solarlaser im Weltraum arbeiten könnten, wo das Sonnenlicht etwa doppelt so stark ist wie auf der Erde. Laserstrahlen könnten zurück auf die Erde geschossen und von konzentrierten Solarzellen gesammelt werden – in einem Prozess, der effizienter ist als die bodengestützte Sammlung von Sonnenenergie.
Die Forschung ist in der beschrieben Zeitschrift für Photonik für Energie.
