Si vous avez été témoin du motif arc-en-ciel qui danse à la surface d'un CD ou d'un DVD, alors vous avez vu la diffraction à l'œuvre. Le disque agit comme un réseau de diffraction, un élément optique qui disperse la lumière en différentes couleurs ou longueurs d'onde.

Cette division de la lumière peut se produire sur n'importe quel périodique, ou ondulé, surface. La direction de ces faisceaux lumineux divisés, et la diffusion ultérieure de la lumière, peut être estimée à l'aide d'un ensemble d'équations couramment utilisées appelée la théorie de la diffraction scalaire non paraxiale. Christi Madsen, professeur au Département de génie électrique et informatique de la Texas A&M University, teste les limites de cette théorie fondamentale afin d'obtenir une compréhension plus précise des pertes de diffusion.

Madsen s'efforce d'améliorer les systèmes qui génèrent de l'énergie solaire grâce à l'utilisation de miroirs ou de lentilles de concentration en acheminant la lumière plus efficacement vers le convertisseur, qu'il s'agisse de panneaux photovoltaïques, qui convertit la lumière du soleil en électricité, ou thermique, qui convertit la chaleur en électricité et réduit la perte globale du système.

Ses recherches sur le sujet ont été publiées dans le numéro de mars de la revue Optique appliquée . Avec ce papier, Madsen a expliqué à quel point un calcul d'efficacité de diffraction de base pouvait être (facilement supérieur à 10 %) pour estimer l'efficacité de diffusion, puis a montré comment obtenir une précision de 1 à 2 % sur le calcul.

Une fibre optique est un flexible, fibre transparente qui transmet la lumière entre les deux extrémités. Imaginez un jouet lumineux avec clair, des fibres transparentes qui pourraient être achetées pour qu'un enfant se promène lors d'un concert ou d'un événement. Madsen a expliqué que les fibres optiques standard sont utiles pour de nombreuses applications du monde réel, comme les réseaux informatiques et les télécommunications, mais ils ne sont tout simplement pas pratiques pour déplacer la lumière du soleil vers un autre endroit en raison de leur petite taille.

En raison de la luminosité limitée de la lumière solaire par rapport aux lasers, guides d'ondes plus grands, ou conduits de lumière, doit être utilisé pour transporter la lumière solaire concentrée du point A au point B.

"Les conduits de lumière sont de grandes versions de fibres optiques, qui transportent la lumière sur de très longues distances avec une très faible perte (par exemple, efficacité de transmission supérieure à 90 % sur une distance d'un mile) mais ont une très petite zone qui guide la lumière (par exemple, diamètre de 10 microns, par rapport à 1 millimètre ou plus pour les conduits de lumière), " a déclaré Madsen.

Bien que les conduits de lumière soient prometteurs, en particulier lorsqu'il est en verre, ils subissent actuellement des pertes plus importantes lors de la transmission de la lumière dues à la diffusion à la surface, ce qui est un problème technologique important - un Madsen est déterminé à changer.

"L'une des pertes dominantes se produit à la surface du guide d'ondes, " dit Madsen. " Alors, si nous pouvons réduire ces pertes de diffusion, aussi faibles que dans une fibre optique, nous pourrions parcourir une longue distance avec la lumière solaire concentrée. »

Au lieu de convertir la lumière solaire en énergie électrique pour une utilisation immédiate, Madsen envisage de déporter l'énergie lumineuse vers un autre emplacement optiquement en concentrant la lumière solaire et en utilisant des guides d'ondes.

Avec un kilowatt par mètre carré du soleil, facteurs de concentration de l'ordre de 1, 000 permettent de transmettre d'importantes quantités d'énergie solaire via des conduits de lumière vers un emplacement séparé, puis de les convertir en énergie thermique ou électrique. Un exemple est le chauffage de processus industriel, où les processus de fabrication sont situés à distance de la zone de collecte solaire. Les conduits de lumière ont le potentiel de transporter la puissance optique avec un rendement plus élevé que les systèmes à fluide caloporteur utilisés actuellement.

Les prochaines étapes de Madsen seront de déterminer à quel point les mesures sur les conduits de lumière fabriqués et les simulations sont précises, ce qui lui fournira une idée précise de la qualité de surface requise pour une transmission de conduit de lumière donnée en fonction de la longueur.