Focando o Sol

Oct 21, 2023

Ed Brown

A professora Nina Vaidya desenvolveu um novo tipo de concentrador óptico - Axially Graded Index Lens (AGILE) - que pode focalizar passivamente o sol em uma célula fotovoltaica de qualquer ângulo para reduzir a quantidade de material fotovoltaico necessário para uma determinada quantidade de geração de energia.

Resumos técnicos:O que primeiro me chamou a atenção foram as lembranças de quando eu era um garotinho com meu pai no parque e uma lupa queimando folhas - era muito divertido.

Professora Nina Vaidya: A redatora da reportagem de Stanford sobre nosso trabalho, Laura Castañón, sugeriu essa forma de comunicar nosso projeto. Como cientistas, pretendemos articular ideias de forma que possam atingir o público. Durante todo o dia, no laboratório ou em reuniões com outros engenheiros e cientistas, falamos de uma determinada maneira e usamos o jargão específico do assunto. O artigo de notícias de Stanford me ajudou a explicar nossa tecnologia Axially Graded Index Lens (AGILE) e seu impacto, ao relatar nosso manuscrito recente.

Resumos técnicos:O que te levou a este projeto?

Vaidya: Esta é uma boa pergunta. Quando comecei, mudei de um trabalho de consultoria de negócios na Europa para Stanford para meu doutorado, pois estava ansioso para voltar à pesquisa científica, especialmente em energia limpa e sustentabilidade. Em meu primeiro trimestre em Stanford, lembro-me claramente da aula do professor Olav Solgaard sobre "Projeto de dispositivos ópticos micro e nano". Ele nos pediu para fazer um relatório individual sobre uma nova ideia ligada à óptica, fotônica ou sistemas microeletromecânicos (MEMS).

Olav, a certa altura, perguntou se era possível projetar um dispositivo óptico que pudesse pegar toda a luz de todos os ângulos e focalizá-la no mesmo ponto sem movê-la em direção à fonte - e ele mencionou a óptica do índice de gradiente.

Isso me fez pensar; então, depois de mais discussões e simulações, cheguei a um design. Esse relatório de projeto individual tornou-se meu projeto de doutorado com Olav como meu orientador de doutorado. Então vieram duas patentes, protótipos e dois artigos posteriores.

Resumos técnicos:Isso era apenas uma ideia teórica dele - fazer essa pergunta?

Vaidya: Sim, partimos daquele sonho teórico impossível de projetar um concentrador óptico ideal que não precise rastrear a fonte. Em seguida, trabalhei no estudo de viabilidade de nossa ideia e na comparação com pesquisas bibliográficas, simulações, teoria e otimização do projeto. Algumas pessoas com quem conversei me disseram que não é possível fazer essa ideia como um dispositivo real com materiais reais - mas pensei que sim. Olav me deu liberdade de pesquisa e incentivo para pesquisar vários materiais ópticos, novas técnicas de fabricação e construir equipamentos para explorar esse espaço desconhecido.

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Foi necessário tentar e errar e conversar com muitos teóricos e experimentalistas, empresas que vendem materiais ópticos, lentes e várias empresas de energia solar. Até tentei fazer alguns materiais no laboratório com polímeros, nanopartículas, nanoporosidade e coisas assim, para combinar com o índice de gradiente teórico. Finalmente, como descrevi em nosso artigo, usei diferentes tipos de vidros e polímeros. Alguns deles são feitos sob medida pela Ohara Glass Corporation, e alguns são polímeros curáveis ​​por UV de grau óptico da Norland Products Inc. O principal era que queríamos classificar o índice de refração de baixo para alto em um material a granel. Mas o alcance da diferença de índice de refração necessária é muito grande.

Algo como um cabo de fibra ótica de vidro é classificado de cerca de 1,45 a 1,5, o que funciona bem para comunicações, mas é muito pouco para nossa aplicação. O que eu queria era ir desde o índice de refração do ar, que é aproximadamente 1,0, até o material fotovoltaico, em torno de 3,5 - isso é enorme. E não apenas isso, eu queria ser capaz de usar todo o espectro de banda larga da luz solar - tornar o AGILE com materiais que possuem essa ampla gama de índices, mas também é altamente transparente em todo o espectro solar, com coeficientes de expansão térmica compatíveis e robustez para que todos as diferentes camadas podem ficar juntas para criar a forma de índice graduado.