Laser à énergie solaire

Un nouveau type de laser efficace à énergie solaire a été développé par des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo, au Japon. Ils espèrent utiliser le laser pour les aider à réaliser leur objectif de développer un moteur à combustion au magnésium. Les chercheurs ont décrit le nouveau laser dans un récent numéro de Lettres de physique appliquée .

Laser à énergie solaire : Deux lentilles de Fresnel focalisent la lumière du soleil sur un cristal en céramique pour produire une lumière laser. L'espoir est d'utiliser des lasers aussi puissants pour générer de la chaleur et de l'hydrogène à partir de magnésium et d'eau.

L'idée, dit Takashi Yabe , professeur de génie mécanique et de sciences à l'Institut de Tokyo, va fabriquer un laser puissant capable de brûler le magnésium contenu dans l'eau de mer. Dans le processus, de grandes quantités de chaleur et d'hydrogène sont dégagées.

Le magnésium a un grand potentiel en tant que source d'énergie car il a une densité de stockage d'énergie environ 10 fois supérieure à celle de l'hydrogène, explique Yabe. Il est également très abondant, avec environ 1,3 gramme trouvé dans chaque litre d'eau de mer, soit environ 1 800 milliards de tonnes métriques dans nos océans, dit-il.

De plus, l'oxyde de magnésium résultant de la réaction peut être reconverti en magnésium, explique Yabe. Le piège ? Le recyclage de l'oxyde de magnésium en magnésium nécessite des températures de 4 000 kelvins (3 726 °C), d'où la nécessité d'un laser pour générer de telles températures sur un petit point.

Mais pour qu'un moteur à combustion au magnésium fonctionne comme une source d'énergie pratique, les lasers doivent être alimentés par une source d'énergie renouvelable, telle que l'énergie solaire.

Les lasers à pompage solaire existent déjà : ils fonctionnent en concentrant la lumière du soleil sur des matériaux cristallins tels que le grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au néodyme, les obligeant à émettre de la lumière laser. Jusqu'à présent, cependant, la plupart des lasers à pompage solaire se sont appuyés sur des miroirs extrêmement grands pour concentrer la lumière du soleil sur le cristal.

Yabe et ses collègues ont développé un laser compact qui offre une triple amélioration de l'efficacité par rapport aux conceptions précédentes, en termes de puissance qu'il peut fournir par rapport à la lumière du soleil disponible.

Ceci est en partie dû à l'utilisation de cristaux de Nd:YAG qui sont en outre dopés avec du chrome, leur permettant d'absorber une plus large gamme de lumière. L'ajout de chrome rend une plus grande proportion du spectre disponible, déclare Yabe : Ainsi, l'efficacité de la lumière du soleil au laser est considérablement améliorée.

L'autre innovation du laser de Yabe est l'utilisation d'une petite lentille de Fresnel au lieu de grandes lentilles miroir. Les lentilles de Fresnel réduisent la taille et la quantité de matériau nécessaire pour construire une lentille en la brisant en anneaux concentriques de lentilles. En règle générale, 10% de la lumière incidente est focalisée sur le cristal, alors qu'avec le Fresnel, elle est d'environ 80%.

Dans notre cas, nous n'avons utilisé que 1,3 mètre carré et atteint 25 watts, explique Yabe. Bien qu'il ne s'agisse que d'une multiplication par trois, la sortie laser augmente de façon exponentielle avec l'augmentation de la surface. Nous nous attendons donc à 300 à 400 watts avec la lentille de Fresnel de quatre mètres carrés, dit-il.

C'est une approche inhabituelle, dit Sunita Satyapal , chef de l'équipe de stockage d'hydrogène du ministère de l'Énergie, à Washington, DC. Mais ce n'est pas la première fois que des métaux, comme le magnésium, et l'eau sont explorés comme moyen de production d'hydrogène, dit-elle.

Ce qu'il faut maintenant, c'est un budget d'efficacité totale pour l'ensemble du système, déclare Satyapal : le problème clé est le coût et l'efficacité totale. Il existe des moyens beaucoup plus simples de générer de l'hydrogène à l'aide de la lumière du soleil, par exemple en utilisant des cellules solaires pour diviser l'eau par électrolyse, ajoute-t-elle.

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