Stanford University: Forscher entwickeln elegante Linsenvorrichtung

Forscher der Stanford University haben eine elegante Linsenvorrichtung entwickelt, entworfen und getestet, die Licht aus allen Winkeln effizient sammeln und auf eine feste Ausgangsposition konzentrieren kann. Diese Gradientenindexoptiken finden auch Anwendung in Bereichen wie Lichtmanagement in der Festkörperbeleuchtung, Laserkoppler und Displaytechnologie zur Verbesserung der Kopplung und Auflösung.

Trotz der beeindruckenden und kontinuierlichen Fortschritte in der Solartechnik bleibt die Frage bestehen: Wie können wir effizient Energie aus dem Sonnenlicht sammeln, das von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang aus unterschiedlichen 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. Dadurch sind sie effizienter, aber auch teurer und komplizierter zu bauen und zu warten als ein stationäres System.

Diese aktiven Systeme werden in Zukunft vielleicht nicht mehr notwendig sein. An der Stanford University hat die Ingenieurwissenschaftlerin Nina Vaidya ein elegantes Gerät entwickelt, das auftreffendes Licht unabhängig vom Winkel und der Frequenz des Lichts effizient sammeln und konzentrieren kann. Ein Artikel, der die Leistung des Systems und die zugrunde liegende Theorie beschreibt, ist das Titelthema der Juli-Ausgabe der Zeitschrift Microsystems & Nanoengineering, verfasst von Vaidya und ihrem Doktorvater Olav Solgaard, Professor für Elektrotechnik in Stanford.

“Es handelt sich um ein völlig passives System – es braucht keine Energie, um die Quelle zu verfolgen, und hat keine beweglichen Teile”, so Vaidya, die jetzt Assistenzprofessorin an der Universität Southampton (Großbritannien) ist. “Ohne einen optischen Fokus, der seine Position verändert, oder ohne Nachführsysteme ist die Konzentration von Licht viel einfacher.”

Das Gerät, das die Forscher AGILE nennen – ein Akronym für Axially Graded Index Lens – ist täuschend einfach. Es sieht aus wie eine auf den Kopf gestellte Pyramide mit abgeschnittener Spitze. Das Licht tritt aus einer beliebigen Anzahl von Winkeln in die quadratische, kachelbare Spitze ein und wird nach unten gelenkt, um am Ausgang einen helleren Fleck zu erzeugen.

Bei ihren Prototypen konnten die Forscher über 90 % des auf die Oberfläche auftreffenden Lichts einfangen und am Ausgang Flecken erzeugen, die dreimal heller waren als das einfallende Licht. In einer Schicht über den Solarzellen installiert, könnten sie Solaranlagen effizienter machen und nicht nur direktes Sonnenlicht einfangen, sondern auch diffuses Licht, das durch die Erdatmosphäre, das Wetter und die Jahreszeiten gestreut wurde.

Eine oberste Schicht aus AGILE könnte die derzeitige Verkapselung ersetzen, die Solaranlagen schützt, die Notwendigkeit beseitigen, der Sonne nachzuführen, Platz für die Kühlung und die Schaltkreise schaffen, die zwischen den sich verjüngenden Pyramiden der einzelnen Geräte verlaufen, und, was am wichtigsten ist, die für die Energieerzeugung benötigte Solarzellenfläche verringern – und damit die Kosten senken. Und die Einsatzmöglichkeiten sind nicht auf terrestrische Solaranlagen beschränkt: Bei Solaranlagen, die in den Weltraum geschickt werden, könnte eine AGILE-Schicht sowohl das Licht ohne Sonnennachführung bündeln als auch den notwendigen Schutz vor Strahlung bieten.

Das Grundprinzip von AGILE ist vergleichbar mit der Verwendung einer Lupe, um an einem sonnigen Tag Flecken auf Blättern zu brennen. Die Linse des Vergrößerungsglases fokussiert die Sonnenstrahlen auf einen kleineren, helleren Punkt. Bei einem Vergrößerungsglas bewegt sich der Brennpunkt jedoch mit der Sonne. Vaidya und Solgaard haben einen Weg gefunden, eine Linse zu entwickeln, die Strahlen aus allen Winkeln aufnimmt, das Licht aber immer an der gleichen Stelle bündelt.

“Wir wollten etwas schaffen, das Licht aufnimmt und an der gleichen Stelle bündelt, auch wenn sich die Richtung der Lichtquelle ändert”, sagt Vaidya. “Wir wollen nicht ständig den Detektor oder die Solarzelle bewegen oder das System auf die Quelle ausrichten müssen.”

Vaidya und Solgaard stellten fest, dass es theoretisch möglich wäre, gestreutes Licht zu sammeln und zu bündeln, indem man ein technisches Material verwendet, dessen Brechungsindex – eine Eigenschaft, die beschreibt, wie schnell sich Licht durch ein Material bewegt – gleichmäßig ansteigt, so dass das Licht gebeugt und auf einen Brennpunkt ausgerichtet wird. An der Oberfläche des Materials wurde das Licht kaum gekrümmt. Wenn es die andere Seite erreicht, ist es fast senkrecht und fokussiert.

“Die besten Lösungen sind oft die einfachsten Ideen. Ein ideales AGILE hat ganz vorne den gleichen Brechungsindex wie die Luft, und er wird allmählich höher – das Licht wird in einer vollkommen glatten Kurve gebogen”, so Solgaard. “Aber in der Praxis wird man diesen idealen AGILE nicht haben.”

Von der Theorie zur Realität

Für die Prototypen schichteten die Forscher verschiedene Gläser und Polymere übereinander, die das Licht unterschiedlich stark ablenken, so dass ein sogenanntes Gradientenindexmaterial entstand. Die Schichten ändern die Richtung des Lichts stufenweise anstelle einer glatten Kurve, was nach Ansicht der Forscher eine gute Annäherung an das ideale AGILE darstellt. Die Seiten der Prototypen sind verspiegelt, so dass jedes Licht, das in die falsche Richtung geht, zum Ausgang zurückgeworfen wird.

Eine der größten Herausforderungen war es, die richtigen Materialien zu finden und herzustellen, sagt Vaidya. Die Materialschichten des AGILE-Prototyps lassen ein breites Lichtspektrum vom nahen Ultraviolett bis zum Infraroten durch und biegen das Licht mit einem breiten Spektrum an Brechungsindizes zunehmend in Richtung Ausgang, was weder in der Natur noch in der heutigen Optikindustrie vorkommt. Die verwendeten Materialien mussten außerdem miteinander kompatibel sein – wenn sich ein Glas bei Wärmeeinwirkung anders ausdehnt als ein anderes, könnte das ganze Gerät brechen – und robust genug, um in Form gebracht zu werden und dauerhaft zu bleiben.

“Es ist eines dieser ‘Mondschein’-Ingenieurabenteuer, das von der Theorie zu echten Prototypen führt”, sagt Vaidya. “Es gibt viele theoretische Abhandlungen und großartige Ideen, aber es ist schwer, sie in die Realität umzusetzen, mit echten Designs und echten Materialien, die die Grenzen dessen überschreiten, was vorher als unmöglich galt.”

Nach der Erforschung zahlreicher Materialien, der Entwicklung neuer Fertigungstechniken und dem Testen mehrerer Prototypen kamen die Forscher zu AGILE-Designs, die mit handelsüblichen Polymeren und Gläsern gut funktionieren. AGILE wurde bereits in früheren Arbeiten der Autoren mit Hilfe des 3D-Drucks hergestellt, um leichte und flexible Polymerlinsen mit Oberflächenrauhigkeit im Nanometerbereich zu entwickeln. Vaidya hofft, dass die AGILE-Designs auch in der Solarindustrie und anderen Bereichen zum Einsatz kommen können. AGILE hat mehrere potenzielle Anwendungen in Bereichen wie Laserkopplung, Display-Technologien und Beleuchtung – wie Festkörperbeleuchtung, die energieeffizienter ist als ältere Beleuchtungsmethoden.

“Unsere Bemühungen und unser Wissen zu nutzen, um sinnvolle technische Systeme zu entwickeln, war meine treibende Kraft, auch wenn einige Versuche nicht funktionierten”, sagt Vaidya. “Die Möglichkeit, diese neuen Materialien, diese neuen Fertigungstechniken und dieses neue AGILE-Konzept zu nutzen, um bessere Solarkonzentratoren zu entwickeln, war sehr lohnend. Saubere Energie im Überfluss und zu erschwinglichen Preisen ist ein entscheidender Faktor bei der Bewältigung der dringenden Klima- und Nachhaltigkeitsherausforderungen, und wir müssen technische Lösungen anregen, damit dies Wirklichkeit wird.”

Solgaard ist Direktor des Edward L. Ginzton Laboratory, Mitglied von Stanford Bio-X, des Stanford Cancer Institute und des Wu Tsai Neurosciences Institute sowie Mitglied des Precourt Institute for Energy und des Stanford Woods Institute for the Environment.

Danksagung des Teams

Diese Arbeit wurde durch das Global Climate and Energy Project und das Diversifying Academia, Recruiting Excellence Doktorandenstipendienprogramm finanziert. Dank an Thomas E. Carver (Flexibler Reinraum) und Tim Brand (Ginzton Crystal Shop) für die Unterstützung bei der Herstellung und an Reinhold Dauskardt, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, für die Beratung in Materialfragen.

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

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