Используя новую технологию 3D-печати, исследователи из ETH Zurich разработали специальные керамические конструкции для солнечного реактора.
Первоначальные экспериментальные испытания показывают, что эти конструкции могут увеличить выход солнечного топлива.
В последние годы инженеры ETH Zurich разработали технологию производства жидкого топлива из солнечного света и воздуха. В 2019 году они впервые продемонстрировали всю цепочку термохимических процессов в реальных условиях в центре Цюриха, на крыше лаборатории ETH Machine.
Это синтетическое солнечное топливо не содержит углерода, поскольку при сгорании выделяет ровно столько CO2, сколько было извлечено из воздуха для его производства. Два дочерних подразделения ETH, Climeworks и Synhelion, продолжают разработку и коммерциализацию технологий.
В основе производственного процесса лежит солнечный реактор, который подвергается воздействию концентрированного солнечного света, поступающего от параболического зеркала, и достигает температуры до 1500 градусов Цельсия.
Внутри этого реактора, который содержит пористую керамическую структуру из оксида церия, происходит термохимический цикл расщепления воды и CO2, захваченных ранее из воздуха. Продукт представляет собой синтез-газ: смесь водорода и монооксида углерода, которая может быть дополнительно переработана в жидкое углеводородное топливо, такое как керосин (реактивное топливо) для авиации.
До сих пор применялись структуры с изотропной пористостью, но у них есть недостаток, заключающийся в экспоненциальном ослаблении падающего солнечного излучения по мере его прохождения в реактор. Это приводит к снижению внутренних температур, ограничивая выход топлива из солнечного реактора.
Теперь исследователи из группы Андре Студара, профессора ETH по сложным материалам, и группы Альдо Штайнфельда, профессора ETH по возобновляемым источникам энергии, разработали новую методологию 3D-печати, которая позволяет им изготавливать пористые керамические структуры со сложной геометрией пор для более эффективной транспортировки солнечного излучения внутрь реактора.
Исследовательский проект финансируется Федеральным управлением энергетики Швейцарии.
Особенно эффективными оказались иерархически упорядоченные конструкции с каналами и порами, которые открыты на поверхности, подверженной воздействию солнечного света, и сужаются к задней части реактора. Такое расположение позволяет поглощать падающее концентрированное солнечное излучение по всему объему.
Это, в свою очередь, гарантирует, что вся пористая структура достигает температуры реакции 1500 °C, что повышает выработку топлива.
Эти керамические конструкции были изготовлены с использованием процесса 3D-печати на основе экструзии и нового типа чернил с оптимальными характеристиками, разработанных специально для этой цели, а именно: низкой вязкости и высокой концентрации частиц церия для максимального увеличения количества окислительно-восстановительного активного вещества.
Исследователи исследовали сложное взаимодействие между передачей лучистого тепла и термохимической реакцией. Они показали, что их новые иерархические структуры могут производить в два раза больше топлива, чем однородные структуры, при воздействии того же концентрированного солнечного излучения интенсивностью, эквивалентной 1000 солнцам.
Технология 3D-печати керамических конструкций уже запатентована, и Synhelion приобрела лицензию у ETH Zurich.
«Эта технология потенциально может повысить энергоэффективность солнечного реактора и, таким образом, значительно повысить экономическую эффективность экологически чистых авиационных топлив», — говорит Стейнфельд.