El poder de las lentes FRESNEL

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Una lente convencional tiene forma ovalada, y está construida por moldeo (si se trata de plásticos) o puliendo su superficie (si se trata de materiales tipo vidrio).

Las lentes fresnel recurren a un ingenioso sistema para dar esa forma cóncava (o convexa) sin necesidad de que éstas tengan ninguna curvatura. Una lente fresnel vista de canto es perfectamente plana.

¿Cómo puede comportarse como una lente algo que es plano?

En realidad, una lente fresnel no es tan plana como parece:

En la parte inferior de la imagen sobre estas líneas puede verse como está construida una lente fresnel (vista de canto), y en la parte superior está el equivalente. El efecto lente se consigue porque en el proceso de fabricación se le hacen una especie de microsurcos (algo parecido a los surcos en un disco de vinilo de los utilizados en los tocadiscos).

Cada uno de estos surcos tiene una inclinación variable, consiguiendo así un efecto que simula a una lente. Esto ahorra grosor, y por lo tanto ahorra volumen, peso y...coste económico.

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Las lentes tienen una cualidad interesante: Si se les proyecta algún tipo de luz, esta luz atraviesa la lente y convergen en un punto (normalmente a pocos cms de la lente) que llamamos foco.

Este punto es cientos o miles de veces mas pequeño que la propia lente, por lo tanto, la densidad energética también debería de ser cientos o miles de veces mayor que una superficie igual en la lente. La cantidad de energía es la misma en el foco que en la superficie de la lente. Lo que cambia es la superficie implicada.

Como la ley de la conservación de la energía siempre se cumple, la temperatura en ese foco sube de manera espectacular, y dependiendo del tamaño de la lente y de la fuerza del sol en ese momento, se pueden alcanzar temperaturas realmente altas.

Es importante percatarse que hay tres parámetros relacionados

- Cantidad de calor

- Temperatura

- Superficie implicada

1) La cantidad de calor es prácticamente la misma delante y detrás de la lente

2) La superficie de la lente es mucho mayor que la superficie del foco

3) Por lo tanto, la temperatura en el foco deberá subir para que se verifique el principio de la conservación de la energía.

Es decir, la lente "no crea" energía, simplemente cambia la forma de manifestarse: Aumenta la temperatura a costa de disminuir la superficie de iluminación.

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El caso es que ese aumento de temperatura nos permite hacer procesos que con una insolación normal, directa, no conseguiríamos, a pesar de estar implicada la misma cantidad de energía.

La radiación solar tiene un amplio espectro, y además de luz visible también contiene -entre otras- infrarrojo, que se comporta como la luz y también se puede someter a procesos ópticos. Esta radiación infrarroja es la que contiene el calor que nos da el Sol.

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Conseguí una de estas lentes de un viejo proyector de transparencias, que está situada en la cubierta superior, justo tras el cristal externo protector.

Hice unas pruebas en la terraza con esta lente, orientándola al sol y haciendo incidir el foco sobre diversos materiales, y confirmé mi suposición de que esta lente era capaz de alcanzar altas temperaturas. En solo dos o tres segundos de exposición todos los materiales comenzaron a emitir humo, quemándose y haciéndose incluso agujeros en el caso del tejido (gamuza) y el plástico (rotulador).

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Esto me dio la idea de probar con un motor stirling que aún conservo en perfecto estado de funcionamiento. Estos motores funcionan con aire caliente (no con vapor). Se basan en aplicar calor en un extremo de un cilindro mientras que el otro extremo se mantiene lo más frío posible.

Hice un montaje improvisado (el de la fotografía siguiente) poniendo la lente fresnel orientada al sol, y proyectando el foco en la parte del motor stirling que hay que calentar.

Tras unos diez minutos de recibir calor, el motor stirling fue capaz de funcionar durante unos segundos tras lo cual se paró. Esto es un experimento "en bruto", y una aplicación real habría que optimizarla con estas medidas encaminadas a aumentar la eficiencia:

1) Puede ser interesante recubrir de algún material aislante la parte del cilindro a calentar para evitar que el calor se disipe a la atmósfera

2) Dejar la otra parte del cilindro al aire (o incluso forzar su refrigeración) para que ambos extremos del cilindro tengan la mayor diferencia de temperatura posible. Un motor stirling funciona tanto mejor cuanta mas diferencia de temperatura haya entre sus extremos.

3) Dotar a la lente fresnel de un soporte mas elaborado, para que el foco sea lo más nítido posible. Basta un error de 2 milímetros en la posición de la lente para que el foco obtenido no tenga el poder que se espera de esa lente.

Este es un ejemplo de cómo la energía solar puede convertirse en trabajo, y no solo en forma eléctrica (panel fotovoltaico) o en forma térmica (energía solar térmica). También puede convertirse la energía solar en movimiento, en energía mecánica. Esa energía mecánica, si el montaje tiene suficiente tamaño y está bien realizado, puede mover un alternador...

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Una observación sobre este montaje: En el experimento previo en la terraza se vio como esta lente era capaz de quemar y taladrar distintos objetos. ¿No cabe esperar que haga también un taladro en el metal del cilindro stirling?

En teoría si, pero...

Hay que tener en cuenta que los tres materiales que elegí para hacer la prueba (madera, tejido y plástico) son materiales malos conductores del calor, por lo tanto, si se les aplica calor en un punto determinado, el calor se queda allí y produce los daños (quemadura y taladro).

En cambio, si se aplica el foco en un objeto conductor del calor -como el caso del metal-, el calor no se limita a quedarse en el punto de aplicación (foco) sino que fluye, se distribuye por todo el metal, evitándose así que la temperatura suba hasta el punto de fusión de dicho metal. Por supuesto, ésto tiene un límite, y si la lente fresnel tiene tamaño suficientemente grande, y el metal expuesto tiene un tamaño suficientemente pequeño, también alcanzará el punto de fusión y se deformará, produciendo también un agujero.

Vídeo con el experimento de la lente fresnel:

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