¿Cómo funciona el "concentrador secundario refractivo de zafiro de Glenn Research Center"?

Después de verificar esta referencia (citada en la pregunta), esta es mi opinión sobre este dispositivo.

La idea general es transferir energía solar concentrada desde un concentrador primario, como un espejo primario, a una cámara (lo llaman "cavidad") para su uso en aplicaciones tales como producción de energía solar térmica (electricidad), propulsión solar térmica o un horno solar. Estas aplicaciones generalmente requieren que la cámara esté a una presión más alta que el ambiente ambiente, por lo que la energía solar tiene que pasar a través de algún tipo de pared o ventana transparente que permita mantener la presión de la cámara. Incluso si la presión de la cámara es igual a la ambiental, una abertura sin bloquear en la cámara dejaría escapar una gran cantidad de calor, tanto por radiación como por convección, por lo que se necesita algún tipo de pared o ventana.

La típica ventana cuasi-planar sufre pérdidas reflexivas significativas. El documento cita que hasta el 50% de la luz incidente se refleja inútilmente. El dispositivo que se muestra reduce esas pérdidas por reflexión a casi cero mediante el uso de un material de alto índice de refracción y una geometría adaptada que produce reflexiones internas totales en todas las interfaces, excepto aquellas destinadas a transmitir luz directamente a la cámara. El índice de refracción del material determina los ángulos de las facetas y otras superficies.

La idea es tomar la energía concentrada al máximo que puede producir el concentrador primario, limitada por cosas tales como la distancia focal del primario, el tamaño angular del sol desde la ubicación del dispositivo, etc., y concentrarla aún más para obtener temperaturas más altas. Las temperaturas más altas siempre son una ventaja para cosas como los dispositivos de ciclo de Carnot .

Parece que la relación de concentración secundaria es esencialmente la relación entre el área del lado de entrada del cono y el área del lado de salida, si la transferencia no tuviera pérdidas. Dadas las dimensiones citadas en la referencia anterior, esa relación sería de ~22:1. Si ese lado de salida fuera solo una superficie plana en el extremo pequeño de la sección cónica, habría una fuerte reflexión allí y se perdería energía. El propósito del extractor de fundente es evitar esa superficie plana al final del concentrador secundario (la sección cónica), transmitiendo la energía a la cavidad a través de las facetas de alto ángulo de incidencia, minimizando el coeficiente de reflexión neto.

La figura 2 de la referencia muestra cómo se utiliza en un motor de cohete solar térmico. En esa figura, la luz entra por la izquierda y se transmite a través del extractor de flujo hacia una cavidad dentro de una cámara más grande. La cavidad absorbe la luz, convirtiéndola en calor que se conduce a través de las paredes de la cavidad. Un fluido de trabajo (el propulsor) fluye hacia la derecha dentro de la cámara, alrededor del exterior de la cavidad, absorbe el calor de la cavidad y luego es expulsado a través de una boquilla estándar de Laval . En el motor ficticio que se muestra, el concentrador está en una posición normalmente ocupada por el inyector de un motor de cohete químico estándar.

Dada una temperatura de cámara establecida, los propulsores con masas moleculares (o atómicas) promedio más bajas producen un impulso específico más alto. El hidrógeno molecular sería un buen candidato para el propulsor.