Roger Angel ist ein Astronom, dessen innovatives Design für Teleskopspiegel die Art und Weise, wie wir Sterne und Galaxien sehen, radikal verändert hat. Er entwickelte leichte, wabenförmige Spiegel für die größten und leistungsstärksten Teleskope der Welt, darunter das Large Binocular Telescope auf dem Mount Graham in Arizona und das im Bau befindliche Giant Magellan Telescope in Chile. Er ist Regents Professor und Leiter des Steward Observatory Mirror Lab an der University of Arizona (UA) sowie ein MacArthur-Stipendiat. 2010 gewann er den renommierten Kavli-Preis für Astrophysik. Aber in letzter Zeit hat er mehr über das Leben auf unserem eigenen Planeten nachgedacht.
"Ich hatte mir Sorgen um die globale Erwärmung gemacht", sagt Angel und begann, über Lösungen nachzudenken, die ebenso kühn (und letztendlich unerschwinglich) waren wie die Platzierung riesiger Sonnenschirme im Weltraum, um den Planeten abzukühlen. Aber als seine Frau ihn fragte: „Kannst du nichts gegen die globale Erwärmung unternehmen?“, Wurde er ernst und überlegte, wie seine Teleskopspiegel zur Erzeugung sauberer Energie verwendet werden könnten. Jetzt hat Angel ein System entwickelt, das Spiegel mit winzigen Solarzellen verwendet, um Licht zu nutzen und Strom zu erzeugen. Dieses System ist möglicherweise kostengünstiger als alles andere auf dem Markt.
Der Versuch, die Kraft der Sonne zu nutzen, ist nichts Neues. Viele Unternehmen und Erfinder analysieren seit Jahrzehnten das Problem, wie Sonnenenergie am effektivsten gesammelt, umgewandelt und genutzt werden kann. Die Technologie der Photovoltaik (PV) -Zellen, die die Sonnenstrahlen einfangen, hat sich im Laufe der Zeit verbessert, aber das Rätsel um die Erzeugung von Solarstrom ist noch nicht gelöst. Einige dieser Probleme betreffen die durch vorhandene Techniken erzeugte Wärmemenge, den Platzbedarf für die Solarzellen und die Kosten.
Angel geht mit seinem neuen System einige dieser Probleme an. "Es ist eine komplette eigenständige Einheit, die das Licht in Energie umwandelt und die Wärme abweist", sagt er. In seinem Tucson-Labor sind Werkzeuge, Metallabfälle, Teile von PV-Zellen und andere Teile des Geräts verteilt. Zusammen wird es aus mehreren quadratischen Spiegeln bestehen, die an einem großen, leichten Stahlrahmen befestigt sind, der wie ein Klettergerüst aussieht. Jeder Spiegel reflektiert Licht in seine eigene würfelförmige Stromumwandlungseinheit (PCU), die über der Mitte installiert ist. Die PCU ist eine kleine Box mit einer Quarzglas-Kugel am Ende, das dem Spiegel zugewandt ist. Wenn das Licht der Sonne auf den Spiegel trifft, fokussiert die Parabelform des Spiegels den Strahl direkt in die Kugel, wodurch das Licht auf eine gekrümmte Matrix von 36 winzigen PV-Zellen fokussiert wird. Die Zellen wandeln das Licht in Elektrizität um.
Jeder Spiegel reflektiert Licht in seine eigene würfelförmige Stromumwandlungseinheit (PCU), die über der Mitte installiert ist. (Mit freundlicher Genehmigung von Rehnu) 
Der Astronom Roger Angel versucht, die Kraft der Sonne mit einer neuen Technologie für Teleskope zu nutzen. Der abgebildete Solartracker leistet derzeit 2 kW Strom. (Mit freundlicher Genehmigung der University of Arizona) 
Eine Nahaufnahme des umgebauten Systems mit der 5 "-Kugel und der reflektierenden Box, in der sich die Triple Junction-Zellen befinden. (Mit freundlicher Genehmigung der University of Arizona) „Die Zellen wandeln ungefähr 40 Prozent des Lichts in Elektrizität um“, sagt Angel und merkt an, dass dies für eine Solarstromanlage sehr effizient ist. Seine Innovation beinhaltet auch ein Kühlsystem, das eine ähnliche Technologie verwendet wie Computerchips und Automotoren. „Dadurch bleiben die Chips bemerkenswert kühl: 20 Grad über der Umgebungslufttemperatur“, sagt er. Das Kühlsystem hat den zusätzlichen Vorteil, dass kein Wasser verwendet wird, eine Ressource, die in den Wüsten, in denen viele Solarsysteme betrieben werden, besonders wertvoll ist. Stattdessen wird umgewälztes Kühlmittel verwendet.
„Niemand hat jemals ein System gebaut, das eine so effiziente und leichte Space-Frame-Struktur verwendet, um die Stahlmenge zu minimieren und die Spiegel zu halten. Niemand hat tiefliegende Glasspiegel hergestellt, die so praktisch und kostengünstig sind, und niemand hat eine PCU wie diese hergestellt “, sagt Angel.
Alex Cronin, ein Physiker an der Universität von Arizona, der unabhängig von Angel an PV-Solarzellen forscht, stimmt dem zu. Angel "hat [dieses Sonnensystem] wie ein Teleskop optimiert", sagt Cronin. „Dies ist ein Beispiel für das Strecken des Umschlags in eine neue Richtung. Er entwarf es mit der geringsten Menge an Stahl und Eisen. In Zukunft werden wir mehr davon sehen. Er ist branchenführend. “
Angel sagt, sein Design habe ein "Erbe der Astronomie". Aber Teleskope in der Astronomie werden verwendet, um sehr schwaches, fernes Licht zu bündeln, während die Spiegel hier eine andere Rolle spielen. „Wir sind von dem einen Extrem, die perfektesten Spiegel herzustellen, die Sie sich vorstellen können, zu den kostengünstigsten Spiegeln übergegangen, die‚ gut genug 'sind. "
Sie mögen billiger sein, aber Sie möchten nicht im Mittelpunkt eines seiner Spiegel stehen. Angel hat kürzlich einen drei Meter breiten Spiegel getestet, der das Sonnenlicht auf ein sechs Millimeter dickes Stück Stahl fokussierte. In 15 Sekunden brannte der Strahl ein Loch in den Stahl von der Größe eines Viertels.
Weitere kritische Elemente seines Systems sind neben den Spiegeln die PV-Zellen in der PCU. Anstatt die typischen Siliziumsolarzellen zu verwenden, bezieht er sich auf Folgendes: „Das, was mir aufgefallen ist, ist, dass kürzlich die Art von PV-Zellen, die im Weltraum [zum Beispiel zur Stromversorgung der Raumstation] verwendet werden, für den Einsatz in angepasst wurden den Boden “, sagt er. „Von dem Licht, das in sie gelangt, wandelt man doppelt so viel Energie in Elektrizität um.“ Dies spart Geld und Platz im System. "Viele Leute haben die wunderbaren Eigenschaften der neueren Zellen, die so genannten Triple-Junction-PV-Zellen, zur Kenntnis genommen, aber die Herausforderung besteht darin, das konzentrierte Licht auf sie zu bringen, ohne das Budget zu sprengen."
Der berühmte Wissenschaftler durchschneidet das Geräusch der globalen Erwärmung und erläutert die FaktenMit Hilfe der Silica-Kugel kann das Sonnenlicht, das auf den Spiegel fällt, auf einen Bereich von Zellen fokussiert werden, der ein Tausendstel der Größe des Spiegels beträgt, und die Kosten der Zellen werden ein Zehntel so hoch pro Watt, das im Vergleich zu Sonnenlicht erzeugt wird Panels, die keine Angel-Technologie verwenden.
Angels Ziel ist es, Solarenergie im Versorgungsmaßstab zu einem Preis zu erzeugen, der mit fossilen Brennstoffen konkurriert, was heute nicht mehr existiert. „Ich denke, was wir tun, hat gute Chancen. Die Architektur, die wir in den letzten Jahren entwickelt haben, ist ein neuer Ansatz und zielt speziell darauf ab, die niedrigen Kosten zu erreichen. “
Ein Teil seiner Kosteneffizienz beruht auf der Fähigkeit von Angel, auf bereits bestehende Herstellungsprozesse zurückzugreifen. Sein patentiertes und zum Patent angemeldetes System (das den Zusammenbau, die Optik und die Verwendung der PV-Zellen umfasst) ist so einfach, dass es in großen Stückzahlen hergestellt werden kann, und er und ein Team von Wissenschaftlern und Studenten der Universität von Arizona forschen Möglichkeiten, die Massenproduktionsmethoden noch effizienter zu gestalten.
Sogar das Umfeld für seine Forschung und Entwicklung hilft, Kosten zu senken. Der Prototyp für Angels Montage im Stil eines Klettergeräts wurde in einem verlassenen Schwimmbad hinter einem Fitnessstudio auf dem UA-Campus gebaut, in dem einst eine Satellitenschüssel für einen Tucson-Fernsehsender untergebracht war. „Dieser spezielle Raum bietet von morgens bis abends einen perfekten Blick auf den südlichen Himmel und ist zwei Minuten zu Fuß von meinem Büro entfernt“, sagt er, und die Region hat ungefähr 350 Sonnentage im Jahr. Ein weiterer Vorteil von Arizona ist, dass „wir zwei bis drei Stunden hinter der Ostküste sind, was bedeutet, dass die Sonne in Arizona zur Zeit der höchsten Nachfrage im Osten immer noch scheint“, sagt er.
Angel war teilweise getrieben, um Solarenergie zu entwickeln, weil er etwas auf der Erde beobachtet hatte. Sein Zuhause ist in der Nähe eines Flusses und er hat mit der Zeit beobachtet, wie die Wasserstraße abnahm. "Der Grundwasserspiegel ist um einen Meter gesunken, seit ich im Haus war", sagt er. „Die Degradation des Flusses sehe ich aufgrund der Überbevölkerung in Echtzeit vor meinen Augen. Ich habe mich versöhnt, dass mein wunderschöner Fluss austrocknen wird, aber ich möchte mich nicht mit einem Planeten versöhnen lassen, der ein so miserables Schicksal ist. “
Alaina G. Levine ist Wissenschaftsjournalistin und lebt in Tucson, Arizona.
