Effizientere solare Treibstoffproduktion Dank Reaktorkern aus dem 3D-Drucker
Mit Hilfe einer neuen 3D-Drucktechnik kann ein Forschungsteam der ETH Zürich komplexe Keramikstrukturen für den Solarreaktor herstellen. Erste Tests zeigen: Damit lässt sich die Ausbeute des Solartreibstoffs deutlich steigern.
Quelle: ETH Zürich / Alessandro Della Bella
Der Parabolreflektor liefert konzentriertes Sonnenlicht an einen Solarreaktor (über den Sekundärreflektor gesehen), der CO2 und Wasser aus der Luft in Synthesegas umwandelt, das zu Treibstoff wi Kerosin verarbeitet wird.
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, weil sie bei der Verbrennung genauso viel CO2 freisetzen, wie der Luft zu ihrer Herstellung entzogen wurde. Zurzeit wird die Technologie von den ETH-Spin-offs Climeworks und Synhelion weiter entwickelt und fit für den Markt gemacht.
Kernstück des Herstellungsprozesses ist ein Solarreaktor, auf den mit einem Parabolspiegel konzentrierte Sonnenstrahlung gerichtet wird, und der sich dadurch auf bis zu 1500 Grad Celsius aufheizt. 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. Dabei entsteht sogenanntes Syngas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das zu flüssige Kohlenwasserstoff-Treibstoffe wie zum Beispiel dem von Flugzeugen verwendeten Kerosin 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.
Besserer Transport der Sonnenstrahlung ins Reaktorinnere
Nun haben Fachleute aus der Gruppe von André Studart, ETH-Professor für komplexe Materialien, und der Gruppe von Aldo Steinfeld, ETH-Professor für Erneuerbare Energieträger, eine neuartige 3D-Druckmethode entwickelt: Sie können damit Keramikstrukturen mit komplexen Poren-Geometrien erzeugen, die 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 Grad und trägt zur Treibstofferzeugung bei. Die Forschenden stellten die Strukturen mittels einer extrusionsbasierten 3D-Drucktechnik. Als Druckertinte verwendeten sie eine neue eigens zu diesem Zweck entwickelte Paste mit Eigenschaften, die sie für diese Herstellungsmethode besonders geeignet macht: Sie ist wenig viskos und enthält eine hohe Konzentration von Ceroxidpartikeln, um die Menge an reaktionsfähigem Material zu maximieren.
Technologie zum 3D-Druck der Keramikstrukturen patentiert
Das Forschungsteam untersuchte schliesslich das komplexe Zusammenspiel zwischen der Übertragung der Strahlungswärme und der thermochemischen Reaktion. Dabei zeigte sich, dass sich mit den neuen hierarchischen Keramikstrukturen im Vergleich zu den bisherigen uniformen Strukturen bei gleicher konzentrierter Sonnenstrahlung – sie entspricht der Intensität von 1000 Sonnen – etwa doppelt so viel Treibstoff herstellen lässt.
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. (mgt/mai)
