16. November 2023
Mit einer neuen 3D-Drucktechnik können Forschende der ETH Zürich komplexe Keramikstrukturen für den Solarreaktor herstellen. Erste Tests zeigen: Damit lässt sich die Ausbeute des Solartreibstoffs deutlich steigern.
Kernstück des Herstellungsprozesses ist ein Solarreaktor, auf den mit einem Parabolspiegel konzentrierte Sonnenstrahlung gerichtet wird, und der dadurch auf bis zu 1500°C 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 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° und trägt zur Treibstofferzeugung bei. Die Forschenden stellten die Strukturen mittels einer extrusionsbasierten 3D-Drucktechnik. Als druckbare Tinte verwendeten sie eine neue für diesen Zweck entwickelte Paste. Diese 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 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.