Роджер Анхель - астроном, чьи инновационные разработки для зеркал телескопа радикально изменили то, как мы видим звезды и галактики. Он разработал легкие сотовые зеркала для самых больших и мощных в мире телескопов, включая Большой бинокулярный телескоп на горе Грэм в Аризоне и гигантский телескоп Магеллана, который в настоящее время строится в Чили. Он является профессором-регентом и руководителем Зеркальной лаборатории Стюардов в Университете Аризоны (UA), а также членом Макартурского «Гениального гранта». В 2010 году он выиграл престижную премию Кавли по астрофизике. Но в последнее время он больше думал о жизни на нашей собственной планете.
«Я беспокоился о глобальном потеплении», - говорит Ангел, и он начал обдумывать такие смелые (и в конечном итоге непозволительные) решения, как размещение гигантских солнечных зонтов в космосе для охлаждения планеты. Но когда его жена спросила его: «Разве вы не можете что-то сделать с глобальным потеплением?», Он стал серьезным и начал представлять, как его зеркала телескопа можно использовать для производства чистой энергии. Теперь Ангел разработал систему, которая использует зеркала с крошечными солнечными элементами для использования света и выработки электроэнергии, - система, которая потенциально может быть более рентабельной, чем что-либо еще на рынке.
Попытка использовать силу солнца не является чем-то новым; Многие компании и изобретатели анализируют проблему наиболее эффективного сбора, преобразования и использования солнечной энергии на протяжении десятилетий. Технология фотоэлектрических (фотоэлектрических) элементов, которые улавливают солнечные лучи, со временем улучшилась, но в загадке производства солнечного электричества есть еще несколько липких деталей. Некоторые из этих проблем включают количество тепла, генерируемого существующими методами, пространство, необходимое для солнечных элементов, и стоимость.
Ангел решает некоторые из этих проблем с помощью своей новой системы. «Это полностью автономное устройство, которое превращает свет в энергию и отводит тепло», - говорит он. Вокруг его лаборатории в Тусоне разбросаны инструменты, металлолом, куски фотоэлементов и другие штуки. Собранный вместе, он будет состоять из нескольких квадратных зеркал, прикрепленных к большой легкой стальной раме, которая выглядит как тренажерный зал в джунглях. Каждое зеркало отражает свет в своем собственном кубическом блоке преобразования мощности (PCU), установленном над его центром. PCU представляет собой небольшую коробку с шариком из плавленого кварца на конце, обращенном к зеркалу. Когда солнечный свет попадает на зеркало, параболическая форма зеркала фокусирует луч прямо в шар, который, в свою очередь, фокусирует свет на изогнутую матрицу из 36 крошечных фотоэлементов. Клетки - это то, что превращает свет в электричество.
Каждое зеркало отражает свет в своем собственном кубическом блоке преобразования мощности (PCU), установленном над его центром. (Предоставлено Ренху) 
Астроном Роджер Ангел пытается использовать силу солнца с помощью новой технологии, разработанной для телескопов. Показанный солнечный трекер в настоящее время вырабатывает 2 кВт электроэнергии. (Предоставлено Университетом Аризоны) 
Крупный план преобразованной системы, на котором показан кремниевый шарик диаметром 5 дюймов и светоотражающая коробка с тройными соединительными ячейками (предоставлено Университетом Аризоны). «Ячейки превращают около 40 процентов света в электричество», - говорит Ангел, отмечая, что это очень эффективно для солнечной энергосистемы. Его инновация также содержит систему охлаждения с использованием технологии, аналогичной той, которая используется для компьютерных чипов и автомобильных двигателей. «Это позволяет чипам оставаться очень холодными: на 20 градусов выше температуры окружающего воздуха», - говорит он. Система охлаждения имеет дополнительное преимущество: она не использует воду, что особенно ценно в пустынях, где работают многие солнечные системы; вместо этого используется рециркуляционная охлаждающая жидкость.
«Никто никогда не создавал систему, в которой бы использовалась такая эффективная, легкая конструкция пространственной рамы, чтобы минимизировать количество стали и удерживать зеркала. Никто не изготавливал зеркала с глубоким рассеиванием, которые бы были такими практичными и недорогими, как это, и никто не делал PCU подобным образом », - говорит Ангел.
Алекс Кронин, физик из Университета Аризоны, который проводит независимые от Ангела исследования по фотоэлектрическим элементам, согласен с этим. Ангел «оптимизировал [эту солнечную систему] как телескоп», говорит Кронин. «Это пример растяжения конверта в новом направлении. Он разработал его с наименьшим количеством стали и железа. В будущем мы увидим больше этого. Он лидирует в отрасли ».
Ангел говорит, что его дизайн имеет «наследие от астрономии». Но телескопы в астрономии используются для концентрации очень слабого, далекого света, в то время как зеркала здесь играют другую роль. «Мы перешли от одной крайности производства самых совершенных зеркал, которые вы только можете себе представить, к зеркалам с наименьшей стоимостью, которые« достаточно хороши ». »
Они могут быть дешевле, но вы не хотели бы стоять в фокусе одного из его зеркал. Ангел недавно проверил зеркало шириной в три метра, которое фокусировало солнечный свет на стальном куске толщиной шесть миллиметров. Через 15 секунд луч прожигал дыру в стали размером четверть.
Помимо зеркал, другими важными элементами его системы являются фотоэлементы в PCU. Вместо того, чтобы использовать типичные кремниевые солнечные элементы, он берет свой пример сверху: «То, что привлекло мое внимание, - это то, что в последнее время вид фотоэлементов, используемых в космосе (например, для питания космической станции), был адаптирован для использования земля », - говорит он. «Из света, который входит в них, вы превращаете энергию в два раза больше». Это экономит деньги и пространство в системе. «Многие люди отмечают замечательные свойства» новых камер, называемых фотоэлементами с тройным переходом, «но задача состоит в том, чтобы направить на них концентрированный свет без ущерба для бюджета».
Знаменитый ученый рассекает шум глобального потепления и выкладывает фактыС помощью шарика кремнезема солнечный свет, падающий на зеркало, может быть сфокусирован на область ячеек, в одну тысячу раз больше размера зеркала, и стоимость ячеек становится на одну десятую больше за ватт, генерируемый по сравнению с солнечным панели, которые не используют технологию Ангела.
Цель Angel - создать солнечное электричество «полезного масштаба» по цене, которая конкурирует с ископаемым топливом, чего сегодня не существует. «Я думаю, у того, что мы делаем, есть хороший шанс. Архитектура, которую мы разработали за последние несколько лет, является новым подходом и нацелена именно на то, чтобы достичь низкой стоимости ».
Часть его экономической эффективности проистекает из способности Angel использовать производственные процессы, которые уже существуют. Его запатентованная и запатентованная система (охватывающая сборку, оптику и использование фотоэлементов) достаточно проста, чтобы ее можно было изготавливать в больших объемах, и он и команда ученых и аспирантов из Университета Аризоны проводят исследования способы сделать методы массового производства еще более упорядоченными.
Даже обстановка для его исследований и разработок помогает сократить расходы. Прототип для сборки в стиле джунглей в стиле джунглей был построен в пустынном бассейне за спортзалом в кампусе UA, месте, где когда-то размещалась спутниковая антенна для телевизионной станции Tucson. «Это конкретное пространство имеет прекрасный вид на южное небо от рассвета до заката и находится в двух минутах ходьбы от моего офиса», - говорит он, и регион получает около 350 солнечных дней в году. Еще одним преимуществом пребывания в Аризоне является то, что «мы на два-три часа отстаем от восточного побережья, что означает, что в Аризоне все еще светит солнце во время пикового спроса на востоке», - говорит он.
Ангел был частично склонен развивать солнечную энергию из-за того, что он наблюдал на Земле. Его дом находится рядом с рекой, и он со временем наблюдал, как снижается водный путь. «Уровень воды снизился на три фута с тех пор, как я был в доме», - говорит он. «Деградация реки - это то, что я вижу в реальном времени на глазах из-за перенаселения. Я примирился, что моя прекрасная река высохнет, но я не хочу примириться с планетой, обреченной на такую несчастную судьбу ».
Алайна Дж. Левин - научный писатель из Тусона, штат Аризона.
