3D-tulostettu reaktorisydän aurinkopolttoaineille

Uuden 3D-tulostustekniikan avulla ETH Zurichin tutkijat ovat kehittäneet erityisiä keraamisia rakenteita aurinkoreaktoria varten. Ensimmäiset kokeelliset testaukset osoittavat, että nämä rakenteet voivat lisätä aurinkopolttoaineiden tuotantosatoa.

Viime vuosina ETH Zürichin insinöörit ovat kehittäneet teknologiaa nestemäisten polttoaineiden tuottamiseksi auringonvalosta ja ilmasta. Vuonna 2019 he esittelivät koko termokemiallisen prosessiketjun todellisissa olosuhteissa ensimmäistä kertaa keskellä Zürichiä ETH Machine Laboratoryn katolla.

Nämä synteettiset aurinkopolttoaineet ovat hiilineutraaleja, koska ne vapauttavat palaessaan vain sen verran hiilidioksidia kuin ilmasta on otettu tuotantoa varten. Kaksi ETH:n spin-off -yritystä, Climeworks ja Synhelion, kehittävät ja kaupallistavat teknologioita edelleen.

Tuotantoprosessin ytimessä on aurinkoreaktori, joka altistuu parabolisen peilin tuottamalle keskitetylle auringonvalolle ja joka saavuttaa jopa 1500 celsiusasteen lämpötilan. Tämän ceriumoksidista tehdyn huokoisen keraamisen rakenteen sisältävän reaktorin sisällä tapahtuu lämpökemiallinen kierto, jossa vesi ja ilmasta vangittu hiilidioksidi jaetaan. Tuote on synteesikaasu: vedyn ja hiilimonoksidin seos, joka voidaan jalostaa edelleen nestemäisiksi hiilivetypolttoaineiksi, kuten kerosiiniksi (lentopolttoaineeksi) lentokoneen tehostamiseksi.

Tähän asti on sovellettu isotrooppisen huokoisuuden omaavia rakenteita, mutta näiden haittapuolena on, että ne vaimentavat eksponentiaalisesti tulevaa auringonsäteilyä sen kulkiessa reaktoriin. Tämä johtaa alhaisempiin sisälämpötiloihin, mikä rajoittaa aurinkoreaktorin polttoaineen tuottoa.

Nyt ovat kehittäneet uuden 3D-tulostusmetodologian, jonka avulla he voivat valmistaa huokoisia keraamisia rakenteita, joilla on monimutkainen huokosgeometria, joka kuljettaa auringonsäteilyä tehokkaammin reaktorin sisäosaan.

Erityisen tehokkaiksi ovat osoittautuneet hierarkkisesti järjestetyt rakenteet, joissa kanavat ja huokoset ovat avoimia auringonvalolle altistuvalla pinnalla ja kapenevat reaktorin takaosaa kohti. Tämä järjestely mahdollistaa tulevan keskitetyn auringonsäteilyn absorboimisen koko tilavuuden yli. Tämä puolestaan varmistaa, että koko huokoinen rakenne saavuttaa 1500 °C:n reaktiolämpötilan, mikä tehostaa polttoaineen tuotantoa.

Nämä keraamiset rakenteet valmistettiin käyttämällä ekstruusiopohjaista 3D-tulostusprosessia ja uudentyyppistä mustetta, jolla on optimaaliset ominaisuudet, jotka on kehitetty erityisesti tätä tarkoitusta varten, nimittäin: alhainen viskositeetti ja korkea ceriumpartikkelien pitoisuus redox-aktiivisen materiaalin määrän maksimoimiseksi.

Tutkijat tutkivat monimutkaista vuorovaikutusta säteilylämmön siirron ja termokemiallisen reaktion välillä. He pystyivät osoittamaan, että heidän uudet hierarkkiset rakenteet voivat tuottaa kaksi kertaa enemmän polttoainetta kuin yhtenäiset rakenteet, kun ne altistetaan samalle tiivistetylle auringonsäteilylle, jonka voimakkuus vastaa 1000 aurinkoa.

Aiheesta aiemmin:

Tehokas fotoreaktori ja kestävä polttokennoarkkitehtuuri

Puhdasta polttoainetta auringonvalosta, CO2:sta ja vedestä