Utilizzando una nuova tecnica di stampa 3D, i ricercatori dell’ETH di Zurigo hanno sviluppato speciali strutture ceramiche per a reattore solare. I primi test sperimentali mostrano che queste strutture possono aumentare la resa di produzione dei combustibili solari.
L’opera d’arte illustra una struttura in ceria stampata in 3D con un’architettura canalizzata gerarchicamente. La radiazione solare concentrata incide sulla struttura graduata e guida la scissione solare della CO2 in flussi separati di CO e O2. Credito immagine: Advanced Materials Interfaces, Vol 10,Nr. 30, 2023. https://doi.org/10.1002/admi.202300452
Negli ultimi anni gli ingegneri dell’ETH di Zurigo hanno sviluppato la tecnologia per produrre combustibili liquidi dalla luce solare e dall’aria. Nel 2019 hanno dimostrato per la prima volta l’intera catena del processo termochimico in condizioni reali, nel centro di Zurigo, sul tetto del Laboratorio Macchine dell’ETH.
Questi combustibili solari sintetici sono a zero emissioni di carbonio perché rilasciano solo la stessa quantità di CO22 durante la loro combustione quanto veniva prelevato dall’aria per la loro produzione. Due spin-off dell’ETH, Climeworks e Synhelion, stanno sviluppando e commercializzando ulteriormente le tecnologie.
Al centro del processo di produzione c’è un reattore solare esposto alla luce solare concentrata fornita da uno specchio parabolico e che raggiunge temperature fino a 1500 gradi Celsius.
All’interno di questo reattore, che contiene una struttura ceramica porosa composta da ossido di cerio, avviene un ciclo termochimico per la scissione di acqua e CO2 catturato in precedenza dall’aria. Il prodotto è il syngas: una miscela di idrogeno e monossido di carbonio, che può essere ulteriormente trasformata in idrocarburi liquidi come il cherosene (carburante per aerei) per l’alimentazione dell’aviazione.
Finora sono state applicate strutture con porosità isotropa, ma queste presentano l’inconveniente di attenuare esponenzialmente la radiazione solare incidente nel suo percorso verso il reattore. Ciò si traduce in temperature interne più basse, limitando la resa di carburante del reattore solare.
Ora, i ricercatori del gruppo di André Studart, professore di materiali complessi dell’ETH, e del gruppo di Aldo Steinfeld, professore di vettori di energia rinnovabile dell’ETH, hanno sviluppato una nuova metodologia di stampa 3D che consente loro di produrre strutture ceramiche porose con geometrie complesse dei pori per trasportare la radiazione solare in modo più efficiente all’interno del reattore.
Il progetto di ricerca è finanziato dall’Ufficio federale dell’energia.
Particolarmente efficienti si sono rivelate strutture ordinate gerarchicamente con canali e pori aperti sulla superficie esposta alla luce solare e che si restringono verso la parte posteriore del reattore. Questa disposizione consente di assorbire la radiazione solare incidente concentrata su tutto il volume.
Ciò a sua volta garantisce che l’intera struttura porosa raggiunga la temperatura di reazione di 1500°C, aumentando la generazione di carburante.
Queste strutture ceramiche sono state prodotte utilizzando un processo di stampa 3D basato su estrusione e un nuovo tipo di inchiostro con caratteristiche ottimali sviluppate appositamente per questo scopo, ovvero: bassa viscosità e un’alta concentrazione di particelle di ceria per massimizzare la quantità di materiale attivo redox.
Rappresentazione digitale 3D (in alto a destra) e fotografie (vista laterale e dall’alto) della struttura ceramica porosa con topologia canalizzata gerarchicamente. Il reattore solare (in basso a destra) contiene una serie di queste strutture graduate, che sono direttamente esposte alla radiazione solare concentrata. Credito immagine: ETH Zurigo
Test iniziali riusciti
I ricercatori hanno studiato la complessa interazione tra il trasferimento del calore radiante e la reazione termochimica. Hanno dimostrato che le loro nuove strutture gerarchiche possono produrre il doppio di carburante rispetto alle strutture uniformi se sottoposte alla stessa radiazione solare concentrata di intensità equivalente a 1000 soli.
La tecnologia per la stampa 3D delle strutture ceramiche è già brevettata e Synhelion ha acquisito la licenza dall’ETH di Zurigo. “Questa tecnologia ha il potenziale per aumentare l’efficienza energetica del reattore solare e quindi migliorare significativamente la fattibilità economica dei carburanti sostenibili per l’aviazione”, afferma Steinfeld.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
