3D-gedruckter Reaktorkern macht solare Treibstoffproduktion effizienter

Mit einer neuen 3D-Drucktechnik k?nnen Forschende der ETH Zürich komplexe Keramikstrukturen für den Solarreaktor herstellen. Erste Tests zeigen: Damit l?sst sich die Ausbeute des Solartreibstoffs deutlich steigern.

 Illustration einer 3D-gedruckte Ceroxidstruktur
Die Illustration zeigt eine 3D-gedruckte Ceroxidstruktur mit hierarchischer Kanalarchitektur. Konzentrierte Sonnenstrahlung f?llt auf die Struktur und treibt die solare Aufspaltung von CO2 (links im Bild) in getrennte Str?me von CO und O2 voran. (Grafik: aus Advanced Materials Interfaces (Vol. 10, Issue 30, 2023) https://doi.org/10.1002/admi.202300452)

In Kürze

  • Forscher haben eine 3D-Drucktechnik entwickelt, um keramische Strukturen mit hierarchisch geordneten Geometrien für den Solarreaktor herzustellen.
  • Die neuen abgestuften Designs transportieren die Strahlung effizienter als bisherige Designs: Sie k?nnen bei gleicher konzentrierter Sonnenstrahlung doppelt so viel solaren Treibstoff produzieren.
  • Der Solarreaktor nutzt Wasser und CO2 aus der Luft und Sonnenlicht als Energiequelle, um kohlenstoffneutrale flüssige Kraftstoffe herzustellen, zum Beispiel Solarkerosin für die Luftfahrt.

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.

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 por?se Struktur aus Ceroxid enth?lt, l?uft 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 gleichm?ssiger Porosit?t. Das hat jedoch einen Nachteil: Die einfallende Sonnenstrahlung schw?cht 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 Energietr?ger, eine neuartige 3D-Druckmethode entwickelt. Sie k?nnen damit Keramikstrukturen mit komplexen Poren-Geometrien zu erzeugen, welche einen effizienteren Transport der Sonnenstrahlung ins Reaktorinnere erm?glichen. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesamt für Energie gef?rdert.

Als besonders effizient entpuppt haben sich hierarchische Strukturen mit Kan?len und Poren, deren sonnenexponierte Oberfl?chen offener sind und die zum hinteren Ende des Reaktors dichter werden. Diese Anordnung erm?glicht es, konzentrierte Sonnenstrahlung über das gesamte Volumen zu absorbieren. Dadurch erreicht auch die gesamte por?se Struktur die Reaktionstemperatur von 1500 Grad und tr?gt 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 enth?lt eine hohe Konzentration von Ceroxidpartikeln, um die Menge an reaktionsf?higem Material zu maximieren.

Vergr?sserte Ansicht: Fotografie und 3D-Darstellung der Keramikstruktur: Quader dessen inneres in weitere Quader unterteilt ist.
Digitale 3D-Darstellung (r. oben) und Fotografien (seitlich und von oben) der por?sen Keramikstruktur mit hierarchisch organisiertem kanalartigem Aufbau. Der Sonnenreaktor (r. unten) enth?lt eine Reihe solcher abgestuften Strukturen, die direkt der konzentrierten Sonnenstrahlung ausgesetzt sind. (Bilder: aus Sas Brunser S, et al. Adv Mat Interfaces (Vol. 10, Issue 30, 2023)

Erste Tests erfolgreich

Die Forschenden untersuchten schliesslich das komplexe Zusammenspiel zwischen der ?bertragung der Strahlungsw?rme 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 Intensit?t von 1000 Sonnen entspricht, doppelt so viel Treibstoff herstellen l?sst. 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.

Literaturhinweis

Sas Brunser S, Bargardi F, Libanori R, Kaufmann N, Braun H, Steinfeld A, Studart A. Solar-driven redox splitting of CO2 using 3D-printed hierarchically channeled ceria structures, Advanced Materials Interfaces, 2300452, 2023. DOI: externe Seite 10.1002/admi.202300452

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