موفقیتی چشمگیر در دستیابی به لیزرهای پمپ خورشیدی

توسط شهریور 31, 1399 اخبار فناوری

لیزرهای پمپ خورشیدی می توانند نور خورشید را به پرتوهای لیزر تبدیل کنند. این فرآیند یکی از روش های تولید هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک است؛ سوختی که می تواند با بحران های محیط زیست موجود در جهان مقابله کند. با توجه به بحث تأمین انرژی آینده، لیزرهای پمپ خورشیدی مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته اند. چالش پیش روی این لیزرها که توسعه آن را با مشکل مواجه کرده است، نیاز به سیستم های ردیابی خورشیدی و اپتیک حجیم است.

موفقیتی چشمگیر در دستیابی به لیزرهای پمپ خورشیدی

هندسه کاملاً مسطح لیزر پمپ خورشیدی بدون عدسی و آینه برای سیستم متمرکز کننده و سیستم ردیابی خورشید. a یک طرحواره از نمودار مقطعی لیزر فیبری پمپ خورشیدی با جمع کننده خورشیدی لومینسانس. b عکس لیزر فیبری پمپ خورشیدی

به تازگی دانشمندانی از کشور ژاپن اولین لیزر مسطح که با نور خورشید پمپ می شوند را ارائه کرده اند. این لیزرها دارای ضخامت چند میلیمتری و مقیاس پذیری عالی هستند. این طراحی موفقیت آمیز می تواند به طور گسترده موجب مقبولیت لیزرهای خورشیدی دوستدار محیط زیست شود.

باید اذعان کرد لیزرها یکی از منابع نوری هستند که دانشمندان و مهندسان به آن علاقه سیری ناپذیری دارند. گواه این مسئله ظهور لیزرهای پیشرفته ای است که توسعه ابزار و دستگاه های پیشرفته را رهبری کرده و به ما در فهم کارکردهای نوین فناوری در دنیا کمک کرده ‌اند. در ضمن دارای کاربردهای عملی غیرقابل شمارشی هستند، کاربردهایی که شامل دیسکهای نوری، حس‌گری از راه دور، برش، کالیبراسیون و موقعیت یابی می شوند. اما مادامی که تولید باریکه لیزر نیاز به صرف انرژی دارد، یافتن منبع انرژی کارآمدتر به دلیل بحران فعلی محیط زیست مهم و حیاتی است. بنابراین در سراسر دنیا، برخی از پژوهشگران در زمینه لیزرهایی که با نور خورشید کار می‌کنند تحقیق می ‌کنند. به این لیزرها، لیزرهای پمپ خورشیدی هم می گویند که انرژی خورشید را به تابش لیزر تبدیل می کنند.

علیرغم برخی پیشرفت‌ها در این زمینه تمامی وسایل و سازه های پمپ خورشیدی لیزر نیاز به عدسی های بزرگ یا آینه‌ هایی دارد که بتوانند بیشترین میزان ممکن نور خورشید را در یک محدوده کوچک متمرکز کنند. در حقیقت کمترین آستانه شدت نور خورشید که بتواند لیزر تولید کند تقریباً باید ۱۰،۰۰۰ برابر نور طبیعی خورشید باشد.

علاوه بر انبوه عدسی های تلسکوپ مانند مورد نیاز، مکانیزم های ردیابی خورشیدی پیچیده برای این دستگاه ها مورد نیاز است. همچنین باید در نظر بگیرید که این لیزرها از نور خورشید پراکنده شده نمی توانند استفاده کنند بدین ترتیب اصلاً در روزهای ابری عمل نمی کنند. با این اوصاف، چنین محدودیت های جدی مانع از به کارگیری گسترده لیزرهای پمپ خورشیدی شده اند.

خوشبختانه در تلاشهایی که برای تحول این رشته انجام شده، یک تیم از دانشمندان تویوتا موتورز و دانشگاه توکایی ژاپن، که توسط دکتر ماساموری اِندو هدایت می شود، اخیراً نتایج مطالعات خود را بر اساس آخرین پیشرفتهایشان در زمینه لیزرهای پمپ شده خورشیدی کاملاً مسطح (“یک لیزر پمپ شده با خورشید کاملاً مسطح برپایه کالکتور خورشیدی لومینسانس”)، در Physics Communications منتشر کرده اند. این لیزر پمپ شده با خورشید نیاز به سیستم های متمرکز کننده نور پیچیده ندارد و با توجه با اینکه کاملاً مسطح است و فقط چند میلیمتر ضخامت دارد می تواند به راحتی مانند سلولهای خورشیدی مرسوم مستقرشده، به کار گرفته شود.

این طراحی نوین چگونه کار می کند؟

اساساً این طراحی بر یک محفظه استوانه ‌ای که کالکتور خورشیدی لومینسانس نامیده می شود استوار است. داخل محفظه به شدت بازتاب دهنده است و حاوی محلولی است که به آن “حساس کننده” می گویند. یک پیچه از لیزر فیبری با طول یک کیلومتر در محلول فرورفته است و بالای محفظه یک آینه دایکرویک است. فوتونهای خورشیدی یا ذرات نور که دارای فرکانسهایی با گستره وسیع هستند، با گذر از آینه دایکرویک وارد محفظه می شوند و توسط حساس کننده جذب می شوند. حساس کننده آنها را با فرکانسهای خاصی به صورت فوتولومینسانیس باز گسیل می کند. فوتون های فوتولومینسانس حالا توسط آینه دایکرویک بازتاب شده و در محفظه گیر می افتند. فوتون ها سرانجام به لیزر فیبری می خورند و آن را برانگیخته می کنند و مجموعاً نوسان های مورد نیاز برای تولید باریکه لیزر را فراهم می کنند.

این راهکار که یک بازآرایی کامل از طراحی های مربوط به لیزرهای پمپ خورشیدی است به صورت تجربی امتحان شده است. نتایج در مراحل نخستین به سبب پایین بودن مقدار توان نمونه اولیه رضایت بخش نبودند. این تیم تحقیقاتی کارشان را درباره شناخت مواد تحریک کننده (برای لیزر فیبری) پیش بردند. در مطالعاتی که پی در پی انجام دادند و در مجله Applied Physics منتشر شد آنها تلاش کردند با جایگزین کردن حساسیت ساز قبلی خود با نانوکریستالهای پرولیسیت هالید سربیوم سزیم سرب، طراحی اولیه خود را بهبود بخشند. علت انتخاب این ترکیب خواص نوری مفید آن بود.

آنها با اضافه کردن ترکیبات پروسکایت انرژی فوتون های گسیل شده از طریق فوتولومینسانس را طوری تنظیم کردند که با حالت بهینه مورد نیاز برای تحریک اتمهای لیزر فیبری هماهنگ باشد. این نمونه اولیه جدید نتایج بهتری در برداشت و دیدگاه مربوط به فیزیک عملی لیزر پمپ شده خورشیدی مسطح را ارائه کرد.

لیزرهای پمپ خورشیدی به طور ویژه، به سبب توانایی و کاربردشان در تولید هیدروژن حائز اهمیت هستند. هیدروژن یک سوخت پاک است که انتظار می رود در آینده نزدیک دنیا را دگرگون سازد. سرپرست این تیم دکتر اندو با توجه به نتایج حاضر و نگاه به آینده مدعی است که این یک گام بزرگ به سمت هدفشان یعنی تحقق جامعه هیدروژنی است. در حقیقت تلاشها برای راه اندازی لیزر پمپ خورشیدی در قالب قسمتی از زیرساخت تولید هیدروژن به شمار می رود. به باور بسیاری از صاحب نظران هیدروژن یکی از بهترین راه حلها برای افزایش تقاضا به انرژی های تجدید پذیر است.

سرپرست این تحقیقات می گوید: “لیزرهای پمپ خورشیدی بدون متمرکز کننده نوری هنگامی که در ابتدا مورد پژوهش واقع شد مفهومی بود که بسیار از واقعیت دور و مربوط به آینده بود اما حالا با تلاشهای بیشتر به حقیقت تبدیل می شود و کاربردهای پیشرفته گوناگون را به همراه می آورد.” فرستادن مستقیم انرژی گذر کرده از فضا به جاهای دور می تواند یک راه حل عملی برای کمبود انرژی باشد مثلاً می تواند نقشی اساسی در چرخه انرژی پایدار منیزیم و بازگرداندن اکسید منیزیم به منیزیم داشته باشد. همچنین می ‌تواند برای مخابرات دوربرد، نیروی پیشران فضایی، منبع انرژی برای کاوش های فضای بیرون هم مورد استفاده قرار بگیرد. این یافته ها مطمئناً امید به در دسترس بودن لیزرهای پمپ خورشیدی در آینده را روشن می کند.

منبع : www.inlc.ir

مطالب مرتبط :