Focalizzare il sole

Oct 21, 2023

Ed Brown

La professoressa Nina Vaidya ha sviluppato un nuovo tipo di concentratore ottico – Axially Graded Index Lens (AGILE) – che può focalizzare passivamente il sole su una cella fotovoltaica da qualsiasi angolazione per ridurre la quantità di materiale fotovoltaico necessario per una data quantità di produzione di energia.

Brief tecnici:La cosa che per prima cosa ha attirato la mia attenzione sono stati i ricordi di quando ero bambino con mio padre nel parco e una lente d'ingrandimento che bruciava le foglie: è stato molto divertente.

Professoressa Nina Vaidya: L'autrice dell'articolo di Stanford News sul nostro lavoro, Laura Castañón, ha suggerito questo modo di comunicare il nostro progetto. Come scienziati, miriamo ad articolare le idee in modo che possano raggiungere il pubblico. Tutto il giorno, in laboratorio o negli incontri con altri ingegneri e scienziati, parliamo in un certo modo e usiamo un gergo specifico. L'articolo di Stanford mi ha aiutato a spiegare la nostra tecnologia AGILE (Axially Graded Index Lens) e il suo impatto, riportando al contempo il nostro recente manoscritto.

Brief tecnici:Cosa ti ha portato a questo progetto?

Vaidya: Questa è una bella domanda. Quando ho iniziato, sono passato da un lavoro di consulenza aziendale in Europa a Stanford per il mio dottorato poiché ero ansioso di tornare alla ricerca scientifica, in particolare nel campo dell'energia pulita e della sostenibilità. Nel mio primo trimestre a Stanford, ricordo distintamente il corso "Progettazione di dispositivi micro e nano ottici" del professor Olav Solgaard. Ci ha chiesto di fare un rapporto individuale su una nuova idea legata all'ottica, alla fotonica o ai sistemi microelettromeccanici (MEMS).

Olav, a un certo punto, si è chiesto se fosse possibile progettare un dispositivo ottico in grado di prendere tutta la luce da tutti gli angoli e focalizzarla nello stesso punto senza spostarla verso la sorgente – e ha menzionato l’ottica dell’indice di gradiente.

Questo mi ha fatto pensare; quindi, dopo ulteriori discussioni e simulazioni, ho elaborato un progetto. Quel rapporto di progetto individuale è poi diventato il mio progetto di dottorato con Olav come mio consulente di dottorato. Poi sono arrivati ​​due brevetti, prototipi e due documenti successivi.

Brief tecnici:Era solo una sua idea teorica – porre quella domanda?

Vaidya: Sì, siamo partiti da quel sogno teorico impossibile per progettare un concentratore ottico ideale che non abbia bisogno di tracciare la sorgente. Successivamente mi sono occupato dello studio di fattibilità della nostra idea e del confronto con ricerche bibliografiche, simulazioni, teoria e ottimizzazione progettuale. C'erano persone con cui ho parlato che mi hanno detto che non è possibile realizzare questa idea come un dispositivo reale con materiali reali, ma pensavo che fosse possibile. Olav mi ha dato la libertà di ricerca e l'incoraggiamento a ricercare vari materiali ottici, nuove tecniche di fabbricazione e a costruire attrezzature per esplorare questo spazio sconosciuto.

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Ci sono voluti tentativi ed errori e parlato con molti teorici e sperimentali, aziende che vendono materiali ottici, lenti e varie aziende solari. Ho anche provato a realizzare alcuni materiali in laboratorio con polimeri, nanoparticelle, nanoporosità e cose del genere, per corrispondere all'indice di gradiente teorico. Infine, come ho descritto nel nostro articolo, ho utilizzato diversi tipi di vetri e polimeri. Alcuni di essi sono realizzati su misura da Ohara Glass Corporation, mentre altri sono polimeri polimerizzabili con raggi UV di grado ottico di Norland Products Inc. La cosa principale era che volevamo classificare l'indice di rifrazione da basso ad alto in un materiale sfuso. Ma l’intervallo della differenza di indice di rifrazione necessaria è molto ampio.

Qualcosa come un cavo in fibra ottica di vetro ha una gradazione compresa tra circa 1,45 e 1,5, che funziona bene per le comunicazioni ma è molto poco per la nostra applicazione. Quello che volevo era passare dall'indice di rifrazione dell'aria, che è circa 1,0, al materiale fotovoltaico, circa 3,5: è enorme. E non solo, volevo essere in grado di utilizzare l'intero spettro della luce solare a banda larga: realizzare AGILE con materiali che abbiano questa vasta gamma di indici ma che siano anche altamente trasparenti in tutto lo spettro solare, con coefficienti di dilatazione termica compatibili e robustezza, quindi tutti i diversi strati possono stare insieme per creare la forma dell'indice graduato.