Stanford University: Forscher haben ein elegantes Linsengerät entwickelt

Forscher der Stanford University haben ein elegantes Linsengerät entwickelt, entworfen und getestet, das Licht aus allen Winkeln effizient sammeln und auf eine feste Ausgangsposition fokussieren kann. Gradientenzeigeroptiken finden auch Anwendungen in Bereichen wie Lichtmanagement in Festkörperbeleuchtung, Laserkomparatoren und Anzeigetechnologie, um die Kopplung und Genauigkeit zu verbessern.

Trotz der beeindruckenden und anhaltenden Fortschritte in der Solarenergietechnologie bleibt die Frage: Wie können wir effizient Energie aus Sonnenlicht gewinnen, das von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang aus verschiedenen Winkeln einfällt?

Solarzellen funktionieren am besten, wenn das Sonnenlicht direkt auf sie trifft. Um so viel Energie wie möglich einzufangen, drehen sich viele Solaranlagen aktiv in Richtung der Sonne, während sie sich über den Himmel bewegt. Das macht sie effizienter, aber auch teurer und aufwändiger in Bau und Wartung als ein stationäres System.

Diese aktiven Systeme werden in Zukunft möglicherweise nicht mehr benötigt. An der Stanford University hat die Ingenieurwissenschaftlerin Nina Vaidya ein elegantes Gerät entwickelt, das einfallendes Licht effizient sammeln und fokussieren kann, unabhängig von Winkel und Frequenz des Lichts. Ein Artikel, der die Systemleistung und die zugrunde liegende Theorie beschreibt, ist die Titelgeschichte für die Juli-Ausgabe von Microsystems & Nanoengineering, verfasst von Vaidya und ihrem Betreuer Olav Solgaard, Professor für Elektrotechnik an der Stanford University.

„Es ist ein vollständig passives System – es braucht keine Energie, um die Quelle zu verfolgen, und es hat keine beweglichen Teile“, sagt Vidya, die jetzt Assistenzprofessorin an der University of Southampton (UK) ist. „Ohne einen ortsverändernden optischen Fokus oder Tracking-Systeme ist es viel einfacher, das Licht zu fokussieren.“

Das Gerät, das die Forscher AGILE nennen – kurz für Axially Indexed Index Lens – ist täuschend einfach. Es sieht aus wie eine umgedrehte Pyramide mit abgeschnittener Spitze. Licht tritt aus einer beliebigen Anzahl von Winkeln in das neigbare Quadrat ein und wird nach unten gerichtet, um am Ausgang einen helleren Punkt zu erzeugen.

In ihren Prototypen konnten die Forscher mehr als 90 % des auf die Oberfläche auftreffenden Lichts einfangen und Austrittspunkte erzeugen, die dreimal heller als das einfallende Licht sind. In einer Schicht über Solarzellen installiert, kann es Solarsysteme effizienter machen, indem es nicht nur direktes Sonnenlicht einfängt, sondern auch diffuses Licht, das von der Erdatmosphäre, dem Wetter und den Jahreszeiten gestreut wird.

Die oberste Schicht von AGILE könnte die vorhandene Verkapselung ersetzen, die Solaranlagen schützt, wodurch die Notwendigkeit einer Sonnennachführung entfällt, Platz für Kühlung und Schaltkreise geschaffen wird, die zwischen den sich verjüngenden Pyramiden jedes Geräts verlaufen, und vor allem die erforderliche Fläche der Solarzellen reduziert wird Energie produzieren – und damit Kosten senken. Und die Anwendungsmöglichkeiten beschränken sich nicht auf terrestrische Solarsysteme: Für ins All geschickte Solarsysteme kann die AGILE-Schicht Licht ohne Nachführung der Sonne bündeln und auch den nötigen Schutz vor Strahlung bieten.

Das Grundprinzip von AGILE lässt sich damit vergleichen, an einem sonnigen Tag mit einer Lupe Flecken auf Blätter zu brennen. Die Lupe fokussiert die Sonnenstrahlen auf einen kleineren, helleren Fleck. Bei einer Lupe bewegt sich der Brennpunkt jedoch mit der Sonne. Vaidya und Solgaard haben einen Weg gefunden, ein Objektiv zu entwickeln, das Strahlen aus allen Winkeln einfängt, das Licht aber immer an derselben Stelle fokussiert.

„Wir wollten etwas schaffen, das denselben Punkt beleuchtet und fokussiert, selbst wenn sich die Richtung der Lichtquelle ändert“, sagt Vaidya. “Wir wollen den Detektor oder die Solarzelle nicht ständig bewegen oder das System auf die Quelle richten müssen.”

Vaidya und Solgaard fanden heraus, dass es theoretisch möglich wäre, Streulicht mit einer Technik zu sammeln und zu fokussieren Material Es nutzt seinen Brechungsindex – eine Eigenschaft, die beschreibt, wie schnell Licht durch ein Material wandert – um gleichmäßig zuzunehmen, wodurch das Licht gebeugt und auf einen Brennpunkt fokussiert wird. Auf der Oberfläche des Materials war das Licht kaum gekrümmt. Wenn es die andere Seite erreicht, ist es fast vertikal und scharf.

Die besten Lösungen sind oft die einfachsten Ideen. „Das ideale AGILE hat den gleichen Brechungsindex wie die Luft im Vordergrund und nimmt allmählich an Höhe zu – das Licht wird in einer perfekt glatten Kurve gebogen“, sagt Solgaard. “Aber in der Praxis hätte man diese perfekte Agilität nicht.”

Von der Theorie zur Realität

Für die Prototypen schichteten die Forscher verschiedene Schichten aus Glas und Polymeren, die Licht in verschiedene Bänder lenken, was zu einem sogenannten Gradientenindikatormaterial führte. Die Schichten ändern die Richtung des Lichts eher allmählich als in einer sanften Kurve, was nach Ansicht der Forscher eine gute Annäherung an das ideale AGILE ist. Die Seiten der Prototypen werden gespiegelt, so dass Licht, das in die falsche Richtung geht, zum Ausgang reflektiert wird.

Vaidya sagt, dass eine der größten Herausforderungen darin bestand, die richtigen Materialien zu finden und herzustellen. Materialschichten im AGILE-Prototypen ermöglichen ein breites Lichtspektrum aus der Nähe UV

” href=”https://3druck.com/glossar/uv/” data-wpel-link=”internal”>ultraviolett Durch Infrarot wird Licht mit einer breiten Palette von Brechungsindizes, die heute in der Natur oder in der optischen Industrie nicht vorkommen, allmählich zum Ausgang hin gebogen. Die verwendeten Materialien müssen auch miteinander kompatibel sein – wenn sich ein Glas beim Erhitzen anders ausdehnt als ein anderes, kann das gesamte Gerät brechen – und robust genug, um geformt und an Ort und Stelle gehalten zu werden.

„Es ist eines dieser ‚Moonlight‘-Engineering-Abenteuer, das von der Theorie zu tatsächlichen Prototypen führt“, sagt Vaidya. „Es gibt viele theoretische Thesen und großartige Ideen, aber es ist schwierig, sie in die Realität umzusetzen, da echte Designs und echte Materialien die Grenzen dessen verschieben, was zuvor als unmöglich galt.“

Nach der Erforschung verschiedener Materialien, der Entwicklung neuer Herstellungstechniken und dem Testen mehrerer Prototypen kamen die Forscher auf AGILE-Designs, die gut mit kommerziell erhältlichen Polymeren und Gläsern funktionieren. AGILE wurde bereits in früheren Arbeiten der Autoren 3D-gedruckt, um leichte und flexible Polymerlinsen mit Oberflächenrauhigkeiten im Nanometerbereich zu entwickeln. Vaidya hofft, dass die Designs von AGILE in der Solarenergieindustrie und anderen Bereichen eingesetzt werden können. AGILE hat viele potenzielle Anwendungen in Bereichen wie Laserkopplung, Display- und Beleuchtungstechnologien – wie Festkörperbeleuchtung, die energieeffizienter ist als ältere Beleuchtungsmethoden.

„Unsere Bemühungen und unser Wissen zu nutzen, um sinnvolle Technologiesysteme zu entwickeln, war meine treibende Kraft, auch wenn einige Versuche nicht erfolgreich waren“, sagt Vaidya. “Die Gelegenheit, diese neuen Materialien, neuen Fertigungstechnologien und das neue AGILE-Konzept zu nutzen, um bessere Solarkondensatoren zu entwickeln, war sehr lohnend. Saubere, reichlich vorhandene und erschwingliche Energie ist ein entscheidender Katalysator bei der Bewältigung der dringenden Herausforderungen in Bezug auf Klima und Nachhaltigkeit, und wir müssen technisch inspirieren Lösungen, um dies Wirklichkeit werden zu lassen.“

Solgaard ist der Direktor des Edward L. Gentzton, Mitglied von Stanford BioX, des Stanford Cancer Institute, des Wu Tsai Institute for Neuroscience und Mitglied des Precourt Energy Institute und des Stanford Woods Institute for the Environment.

Danke vom Team

Diese Arbeit wurde vom Global Climate and Energy Project und dem PhD-Stipendienprogramm Diversifying Academia, Recruitment Excellence finanziert. Danke an Thomas E. Carver (Resilient Cleanroom) und Tim Brand (Ginzton Crystal Geschäft) für die Unterstützung in der Fertigung und Reinhold Dauskardt, Professor für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik, für die Beratung in Materialfragen.

Der Text basiert auf einem Forschungsprojekt der Stanford University (Text: Laura Castañón).

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