211service.com
Laser op zonne-energie
Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology in Japan hebben een nieuw soort efficiënte laser op zonne-energie ontwikkeld. Ze hopen de laser te gebruiken om hun doel te bereiken, namelijk het ontwikkelen van een magnesiumverbrandingsmotor. De onderzoekers beschreven de nieuwe laser in een recent nummer van Technische Natuurkunde Brieven .
Laser op zonne-energie: Twee Fresnel-lenzen richten zonlicht op een keramisch kristal om laserlicht te produceren. De hoop is om zulke krachtige lasers te gebruiken om warmte en waterstof te genereren uit magnesium en water.
Het idee, zegt Takashi Yabe , een professor in werktuigbouwkunde en wetenschap aan het Tokyo Institute, gaat een krachtige laser maken die het magnesiumgehalte van zeewater kan verbranden. Daarbij komen grote hoeveelheden warmte en waterstof vrij.
Magnesium heeft een groot potentieel als energiebron omdat het een energieopslagdichtheid heeft die ongeveer 10 keer hoger is dan die van waterstof, zegt Yabe. Het is ook zeer overvloedig, met ongeveer 1,3 gram gevonden in elke liter zeewater, of ongeveer 1800 biljoen ton in onze oceanen, zegt hij.
Bovendien kan het magnesiumoxide dat vrijkomt bij de reactie weer worden omgezet in magnesium, zegt Yabe. De vangst? Om het magnesiumoxide terug te recyclen tot magnesium, zijn temperaturen van 4.000 kelvin (3.726 ºC) nodig – vandaar de noodzaak voor een laser om dergelijke temperaturen op een kleine plek te genereren.
Maar om een magnesiumverbrandingsmotor als een praktische energiebron te laten functioneren, moeten de lasers worden aangedreven door een hernieuwbare energiebron, zoals zonne-energie.
Op zonne-energie gepompte lasers bestaan al: ze werken door zonlicht te concentreren op kristallijne materialen zoals neodymium-gedoteerde yttrium-aluminium-granaat, waardoor ze laserlicht uitstralen. Tot nu toe vertrouwden de meeste lasers op zonne-energie echter op extreem grote spiegels om het zonlicht op het kristal te concentreren.
Yabe en zijn collega's hebben een compacte laser ontwikkeld die een drievoudige verbetering in efficiëntie biedt ten opzichte van eerdere ontwerpen, in termen van hoeveel vermogen hij kan leveren in vergelijking met het beschikbare zonlicht.
Dit komt onder meer door het gebruik van Nd:YAG-kristallen die bovendien zijn gedoteerd met chroom, waardoor ze een breder scala aan licht kunnen absorberen. Door het toevoegen van chroom wordt een groter deel van het spectrum beschikbaar, zegt Yabe: Zo wordt de efficiëntie van zonlicht naar laser aanzienlijk verbeterd.
De andere innovatie van Yabe's laser is het gebruik van een kleine Fresnel-lens in plaats van grote spiegellenzen. Fresnel-lenzen verminderen de grootte en hoeveelheid materiaal die nodig is om een lens te bouwen door deze in concentrische ringen van lenzen te breken. Gewoonlijk wordt 10 procent van het invallende licht op het kristal gefocust, terwijl dit bij de Fresnel ongeveer 80 procent is.
In ons geval gebruikten we slechts 1,3 vierkante meter en bereikten we 25 watt, zegt Yabe. Hoewel dit slechts een drievoudige toename is, neemt de laseroutput exponentieel toe met het toenemende oppervlak. We verwachten dus 300 tot 400 watt met de vier vierkante meter grote Fresnel-lens, zegt hij.
Het is een ongebruikelijke benadering, zegt Sunita Satyapal , hoofd van het waterstofopslagteam van het Department of Energy, in Washington, DC. Maar het is niet de eerste keer dat metalen, zoals magnesium, en water zijn onderzocht als middel voor de productie van waterstof, zegt ze.
Wat nu nodig is, is een budget voor totale efficiëntie voor het hele systeem, zegt Satyapal: Het belangrijkste punt zijn kosten en totale efficiëntie. Er zijn veel eenvoudigere manieren om waterstof op te wekken met behulp van zonlicht, bijvoorbeeld door zonnecellen te gebruiken om water te splitsen met behulp van elektrolyse, voegt ze eraan toe.