3D-gedruckter Reaktorkern macht solare Treibstoffproduktion effizienter
Mit einer neuen 3D-Drucktechnik können Forschende der ETH Zürich komplexe Keramikstrukturen für den Solarreaktor herstellen
In den vergangenen Jahren entwickelten Ingenieure der ETH Zürich eine Technologie, um aus Sonnenlicht und Luft Flüssigtreibstoffe herzustellen. 2019 demonstrierten sie erstmals den gesamten Prozess unter realen Bedingungen mitten in Zürich, auf dem Dach des Maschinenlaboratoriums der ETH. Solche synthetischen solaren Treibstoffe sind CO2-neutral, da sie bei der Verbrennung genauso viel CO2 freisetzen, wie der Luft zu ihrer Herstellung entzogen wurde. Bereits sind die ETH-Spin-offs Climeworks und Synhelion daran, die Technologie weiterzuentwickeln und zu kommerzialisieren.
Die Illustration zeigt eine 3D-gedruckte Ceroxidstruktur mit hierarchischer Kanalarchitektur. Konzentrierte Sonnenstrahlung fällt auf die Struktur und treibt die solare Aufspaltung von CO2 (links im Bild) in getrennte Ströme von CO und O2 voran.
Advanced Materials Interfaces (Band 10, Nr. 30, 2023)
Digitale 3D-Darstellung (r. oben) und Fotografien (seitlich und von oben) der porösen Keramikstruktur mit hierarchisch organisiertem kanalartigem Aufbau. Der Sonnenreaktor (r. unten) enthält eine Reihe solcher abgestuften Strukturen, die direkt der konzentrierten Sonnenstrahlung ausgesetzt sind.
ETH Zurich
Kernstück des Herstellungsprozesses ist ein Solarreaktor, auf den mit einem Parabolspiegel konzentrierte Sonnenstrahlung gerichtet wird, und der dadurch auf bis zu 1500 Grad Celsius aufgeheizt wird. In diesem Reaktor, der eine poröse Struktur aus Ceroxid enthält, läuft eine zyklische thermochemische Reaktion ab zur Spaltung von Wasser und CO2, das zuvor aus der Luft abgeschieden wurde. Es entsteht dabei Syngas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das zu flüssigen Kohlenwasserstoff-Treibstoffen wie zum Beispiel dem von Flugzeugen verwendeten Kerosin (Flugbenzin) weiterverarbeitet werden kann.
Bisher nutzten die Forschenden dazu eine Struktur mit gleichmässiger Porosität. Das hat jedoch einen Nachteil: Die einfallende Sonnenstrahlung schwächt sich auf dem Weg ins Innere des Reaktors exponentiell ab. Dadurch werden im Innern nicht so hohe Temperaturen erreicht, was die Leistung des Solarreaktors begrenzt.
Nun haben Forschende aus der Gruppe von André Studart, ETH-Professor für komplexe Materialien, und der Gruppe von Aldo Steinfeld, ETH-Professor für Erneuerbare Energieträger, eine neuartige 3D-Druckmethode entwickelt. Sie können damit Keramikstrukturen mit komplexen Poren-Geometrien zu erzeugen, welche einen effizienteren Transport der Sonnenstrahlung ins Reaktorinnere ermöglichen. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesamt für Energie gefördert.
Als besonders effizient entpuppt haben sich hierarchische Strukturen mit Kanälen und Poren, deren sonnenexponierte Oberflächen offener sind und die zum hinteren Ende des Reaktors dichter werden. Diese Anordnung ermöglicht es, konzentrierte Sonnenstrahlung über das gesamte Volumen zu absorbieren. Dadurch erreicht auch die gesamte poröse Struktur die Reaktionstemperatur von 1500 Grad und trägt zur Treibstofferzeugung bei. Die Forschenden stellten die Strukturen mittels einer extrusionsbasierten 3D-Drucktechnik her. Als druckbare Tinte verwendeten sie eine neue für diesen Zweck entwickelte Paste. Diese verfügt über Eigenschaften, die sie für diese Herstellungsmethode besonders geeignet macht: Sie ist wenig viskos und enthält eine hohe Konzentration von Ceroxidpartikeln, um die Menge an reaktionsfähigem Material zu maximieren.
Erste Tests erfolgreich
Die Forschenden untersuchten schliesslich das komplexe Zusammenspiel zwischen der Übertragung der Strahlungswärme und der thermochemischen Reaktion. So konnten sie zeigen, dass sich mit ihren neuen hierarchischen Keramikstrukturen im Vergleich zu den bisherigen uniformen Strukturen bei gleicher konzentrierter Sonnenstrahlung, die der Intensität von 1000 Sonnen entspricht, doppelt so viel Treibstoff herstellen lässt. Die Technologie zum 3D-Druck der Keramikstrukturen ist bereits patentiert, Synhelion hat die Lizenz von der ETH Zürich erworben. «Diese Technologie hat das Potenzial, die Energieeffizienz des Solarreaktors deutlich zu steigern und damit die Wirtschaftlichkeit von nachhaltigen Flugtreibstoffen erheblich zu verbessern», betont Aldo Steinfeld.
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