Naukowcy z Algierii i Portugalii przedstawili nowy projekt lasera zasilanego światłem słonecznym. Przewiduje się, że laser słoneczny, który nie został jeszcze zbudowany w laboratorium, będzie działał z wyższą wydajnością niż istniejące systemy i może mieć wiele zastosowań – w tym kosmiczny system pozyskiwania energii słonecznej do wykorzystania na Ziemi.
Wykorzystanie światła słonecznego jako źródła pompującego do wytwarzania światła laserowego jest szeroko badane od lat 1960. XX wieku. Obecne technologie można wykorzystać do produkcji ekonomicznych systemów laserowych o dużej mocy i jasności.
W ciągu ostatniej dekady poczyniono liczne postępy w laserach słonecznych – ale istniejące projekty mogą być ograniczone przez zastosowanie jednego dużego pręta laserowego. Pręt ten jest materiałem wzmacniającym, który wytwarza światło laserowe dzięki energii pozyskiwanej ze źródła pompy. Jednoprętowe systemy fotowoltaiczne są zazwyczaj drogie i cierpią z powodu nierównomiernego rozkładu temperatury w pręcie, co obniża jakość wytwarzanej wiązki.
Symulacje numeryczne
Ta ostatnia praca została wykonana przez Rabeh Boutaka w Centrum Rozwoju Zaawansowanych Technologii w Algierze, Dawei Liang na Uniwersytecie NOVA w Lizbonie i Abdelhamid Kellou na Uniwersytecie Nauki i Technologii Houari Boumediene. Trio wykonało symulacje numeryczne, aby pomóc im zaprojektować bardziej optymalną konfigurację lasera słonecznego. Zaproponowany przez nich system działałby w TEM00 tryb optyczny: podstawowy tryb lasera najniższego rzędu, w którym natężenie światła otaczającego środek wiązki jest zgodne z prostym rozkładem Gaussa. Projekt zespołu zbiera światło słoneczne za pomocą czterech parabolicznych luster o łącznej powierzchni 10 m²2.
Ogniwo słoneczne działa po zachodzie słońca
Po zebraniu to światło jest kierowane do głowicy laserowej, gdzie jest równomiernie rozprowadzane między czterema koncentratorami topionej krzemionki i światłowodami. Wreszcie światło jest używane do jednoczesnego pompowania czterech prętów laserowych o małej średnicy – przy ustawieniu zapewniającym równomierne rozłożenie mocy pompy między prętami. Dzięki temu konstrukcja unika ograniczeń związanych z soczewkowaniem termicznym – niepożądanym efektem, polegającym na tym, że nieregularności temperatury w materiale optycznym wpływają na drogi światła.
Podsumowując, zespół Boutaki obliczył, że ich zmiany podwoiły wydajność zbierania światła przez lasery słoneczne działające w TEM00 tryb, co skutkuje 1.24 razy większą wydajnością konwersji światła słonecznego na laser w porównaniu z poprzednimi projektami. Naukowcy przewidują wiele potencjalnych zastosowań ich projektowania: w tym lepsze metody monitorowania powierzchni i atmosfery Ziemi za pomocą satelitów; wraz z usuwaniem śmieci kosmicznych i łącznością w dalekim kosmosie.
Być może najbardziej fascynującym zastosowaniem jest rozwój nowych form produkcji energii słonecznej. Tutaj Boutaka i koledzy sugerują, że lasery słoneczne mogłyby działać w kosmosie, gdzie światło słoneczne jest około dwa razy silniejsze niż na Ziemi. Wiązki laserowe mogłyby zostać wystrzelone z powrotem na Ziemię i gromadzone przez skoncentrowane ogniwa słoneczne – w procesie, który jest bardziej wydajny niż naziemne gromadzenie energii słonecznej.
Badania opisano w Journal of Photonics for Energy.
