Het ontwerp van efficiënte zonnecellen, die energie gebruiken om elektriciteit op te wekken of waterstof te produceren door water te splitsen, heeft wereldwijd veel aandacht gekregen. Een andere manier om overvloedige, gratis zonne-energie te benutten:het gebruiken als pompbron voor lasers. Krachtige lasers zijn bestemd voor verschillende toepassingen, waaronder communicatie in de diepe ruimte, atmosferische detectie, materiaalverwerking bij hoge temperaturen en waterstofproductie. Maar ze zijn vaak duur en hebben te lijden van prestatieverlies als gevolg van thermische stresseffecten.

In een recente studie gepubliceerd in het Journal of Photonics for Energy , rapporteren onderzoekers uit Algerije en Portugal een nieuw laserontwerp op zonne-energie dat deze problemen met succes aanpakt. Deze laser heeft een verbeterde laserconversie-efficiëntie in vergelijking met lasers die worden gepompt met conventionele bronnen (zoals flitslampen en LED's).

"De aanpak die we in dit onderzoek hebben gevolgd, stelde ons in staat een krachtige laser op zonne-energie te ontwikkelen die werkt in TEM₀₀ modus, de fundamentele of laagste-orde modus", legt universitair hoofddocent Dawei Liang van Universidade Nova de Lisboa in Portugal, de corresponderende auteur van de studie, uit. "Elk van deze modi (onze laser ondersteunt meerdere fundamentele modi) kan nauwkeurig worden gecontroleerd met minimale warmtetoevoer naar de pompholte. Dit stelt ons in staat om de toegepaste energie af te stemmen op de specifieke behoeften van een toepassing", voegt hij eraan toe.

De onderzoekers voerden numerieke simulaties uit om de ontwerpparameters van een TEM₀₀ . te optimaliseren -modus Nd:YAG zonne-laserstraal. Verder gebruikten ze vier laserstaven in vier 2V-vormige pompholten en pompten ze ze met zonlicht op met behulp van vier grote parabolische spiegels buiten de as met een totaal verzamelgebied van 10 m ² .

"De laserkop in ons ontwerp bevat ook vier secundaire asferische concentrators van gesmolten silicium en vier rechthoekige lichtgeleiders van gesmolten silicium. Dit zorgt voor een gelijkmatige verdeling van het geabsorbeerde pompvermogen in elke staaf en helpt schade door verhitting als gevolg van thermische lensvorming en thermische spanningen die optreden in conventionele zonnelasers met één staaf", legt Liang uit.

Dit resulteerde in een verbeterde prestatie van de zonnelaser. De numerieke berekeningen schatten een totaal laservermogen van 155,29 watt in de TEM₀₀ modus. Dit resulteerde in een tweevoudige verbetering van de collectie-efficiëntie en een 1,24-voudige verbetering van de conversie-efficiëntie in vergelijking met eerdere ontwerpen met vergelijkbare configuratie.

Een van de belangrijkste potentiële toepassingen van dit ontwerp betreft de opwekking van zonne-energie in de ruimte. Dit omvat het verzamelen van zonne-energie in de ruimte, het omzetten in een laserstraal en het naar de aarde sturen waar het kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken met behulp van zonnecellen. Aangezien dit proces niet wordt beïnvloed door de aardatmosfeer, is het stabieler en vereist het kleinere zend- en ontvangstapparatuur dan die nodig zijn bij de transmissie van microgolfvermogen.

Liang merkt op dat, hoewel een fotovoltaïsch aangedreven laser met diodepomp nog steeds een grotere conversie-efficiëntie van zonne-naar-laser heeft dan die van een zonnelaser, deze veel minder geschikt is voor langetermijntoepassingen in de ruimte. Dit komt omdat een diode-gepompte laser een beperkte levensduur van de diodepompbron heeft en een complexer lasersysteem. Een laser op zonne-energie geniet van een veel grotere systeemeenvoud en profiteert van een bijna eeuwige en gratis pompbron.

Al met al licht deze studie een manier aan om lasers op zonne-energie naar nieuwe hoogten te brengen, met een duidelijke blauwdruk voor zeer efficiënte, ruimteklare zonnelasers. + Verder verkennen

Non-stop signaal bereikt in krachtige Erbium-gedoteerde mid-infrarood lasers