Non-imaging Optics - i vantaggi dell’ottica senza immagine

Non imaging Optics L’ottica senza immagini (in inglese “Non-imaging optics”) è una disciplina scientifica nata a metà degli anni ‘60 a seguito degli studi condotti indipendentemente da tre scienziati, V.K. Baranov, Maring Ploke e Roland Winston. Essa tratta il modo ottimale di trasferire una radiazione luminosa da una sorgente a un target (ricevitore) e trova applicazione nella fisica delle alte energie, nell’astrofisica e nel settore dell’energia solare.
Nel 1965, presso l’Università di Chicago, Roland Winston costruì, nel corso di esperimenti di fisica delle alte energie, il primo “Non-imaging Concentrator” per misurare la debolissima radiazione nucleare associata all’effetto Cerenkov. Oggi questo tipo di concentratore e comunemente chiamato Concentratore Parabolico Composto o anche Concentratore non focalizzante. Si tratta di un componente che, nelle sue diverse versioni, sta rivoluzionando la progettazione e la realizzazione dei sistemi solari a concentrazione, sia termici che fotovoltaici.
I concentratori realizzati in base ai principi dell’ottica senza immagini concentrano la luce in modo molto più efficiente dei normali specchi e lenti, che formano immagini. Infatti un concentratore non focalizzante è come un imbuto: la luce che entra nel concentratore attraverso un’ampia sezione, viene riflessa in modo da uscirne attraversando una sezione molto più ridotta. Questo processo distrugge l’immagine della sorgente, ma in un «forno solare» non interessa ottenere un’immagine bensì concentrare al massimo l’intensità della radiazione solare per unità di superficie.

Promosso da ISES International a da ISES ITALIA, il 15 luglio 2007 ha avuto luogo presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università “La Sapienza” di Roma, un incontro con il Prof. Roland Winston dell’Università di Chicago, massima autorità scientifica a livello mondiale della disciplina della Non-imaging Optics, che, in una traduzione italiana imperfetta, potremmo indicare con il nome di “ottica senza immagine” o, come preferiscono i francesi, “optique sans formation d’image”.

I principi di questa nuova disciplina consentono di realizzare sistemi che concentrano e intensificano la radiazione in modo molto più efficiente delle lenti e dei concentratori costruiti sui principi dell’”Ottica con immagine”. Lo scopo di questi sistemi è quello di catturare la radiazione e non di ottenere un’immagine, come è il caso di uno specchio tradizionale. La loro applicazione spazia dalla fisica delle alte energie, all’astrofisica, al settore commerciale dell’energia solare. Il primo “Non-imaging Concentrator” fu scoperto dal Prof. Winston nel 1965 per misurare la radiazione nucleare associata all’effetto Cerenkov, nel corso di esperimenti di fisica delle alte energie. Oggi quel concentratore viene comunemente chiamato Concentratore Parabolico Composto, ed è un componente che sta rivoluzionando la progettazione e la realizzazione dei sistemi solari, da quelli solari termici e fotovoltaici, a quelli per l’illuminazione naturale, con lo sviluppo di efficienti riflettori (basta pensare al percorso della radiazione in senso inverso a quello che interessa nel caso della concentrazione) di luce naturale, chiamati anche “anidolici” dal greco an=senza e eidolon=immagine).

È bene citare un record, per meglio far comprendere le potenzialità della Non-imaging optics. Il gruppo guidato dal Prof. Winston è riuscito ad ottenere, sul terrazzo dell’Università di Chicago, livelli di concentrazione della luce del sole di intensità superiore del 15% all’intensità riscontrabile sulla superficie del sole stesso. Questo risultato, per i limiti posti dalle leggi della termodinamica, non potrebbe mai essere raggiunto con un concentratore con immagine.

Il gruppo è attualmente impegnato nello sviluppo di nuovi approcci, sia nella progettazione dei Non-imaging Concentrators, dove c’è ancora spazio per nuove soluzioni, sia delle loro relative applicazioni, che vanno dalla produzione di calore ed elettricità, ai laser solari, alla chimica di materiali speciali, quali i fullerani.

I risultati delle ricerche del gruppo di Roland Winston hanno anche dato vita alla nascita di varie iniziative industriali, come quella della Duke Solar statunitense, illustrate nel corso dell’incontro da Gilbert Cohen e John Myles.

La Duke Solar sta sviluppando sistemi di produzione di elettricità e calore da integrare nei tetti degli edifici commerciali, industriali e residenziali, nei quali è componente chiave il Concentrare Parabolico Composto. Altri importanti centri di studio della Non-imaging Optics si trovano attualmente in Australia, Israele e Spagna.

All’incontro con il Prof. Winston ha partecipato un pubblico composto di ricercatori delle Università di Roma, dell’ENEA, dell’ENI e liberi professionisti, tuttavia non sufficientemente numeroso quanto l’interesse della materia avrebbe richiesto. Forse è un segnale di come l’argomento non sia ancora adeguatamente considerato in Italia, sia in ambito accademico sia da parte delle imprese del solare.

Per informazioni sugli studi condotti presso l’Università di Chicago: http://hep.uchicago.edu/solar/NIoptics.html
Duke Solar Energy LLC è una joint-venture tra la Duke Engineering & Services e la Solar Roof International.
Duke Engineering & Services
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