3D打印反应堆堆芯使太阳能燃料生产更加高效

近年来，苏黎世联邦理工学院的工程师开发了利用阳光和空气生产液体燃料的技术。2019年，他们在苏黎世市中心ETH机器实验室的屋顶上首次在真实条件下展示了整个热化学过程链。这些合成太阳能燃料是碳中性的，因为它们在燃烧过程中释放的CO2与生产过程中从空气中吸收的CO2一样多。ETH的两家衍生公司Climeworks和Synhelion正在进一步开发这些技术并将其商业化。

生产过程的核心是一个太阳能反应堆，该反应堆暴露在抛物面镜投射的集中阳光下，温度高达1,500°C。该反应器包含由氧化铈制成的多孔陶瓷结构，在该反应器内会发生热化学循环，以分解先前从空气中捕获的水和CO2。该产品是合成气：氢气和一氧化碳的混合物，可以进一步加工成液态烃燃料，例如煤油(喷气燃料)，为航空提供动力。

到目前为止，已经应用了具有各向同性孔隙率的结构，但这些结构具有缺点，即当入射太阳辐射进入反应器时，它们会呈指数衰减。这导致内部温度较低，限制了太阳能反应堆的燃料产量。

现在，来自ETH复杂材料教授AndréStudart团队和ETH可再生能源载体教授AldoSteinfeld团队的研究人员开发了一种新颖的3D打印方法，使他们能够制造具有复杂孔隙几何形状的多孔陶瓷结构，更有效地将太阳辐射传输到反应堆内部。该研究发表在《先进材料界面》杂志上。

事实证明，分层有序的设计特别有效，其通道和孔隙在暴露于阳光的表面处开放，并向反应器后部变窄。这种布置能够吸收整个体积上的入射集中太阳辐射。这反过来又确保整个多孔结构达到1,500°C的反应温度，从而促进燃料的产生。

这些陶瓷结构是使用基于挤出的3D打印工艺和专门为此目的开发的具有最佳特性的新型墨水制造的，即：低粘度和高浓度的二氧化铈颗粒，以最大限度地提高氧化还原活性材料的量。

初步测试成功

研究人员研究了辐射热传递和热化学反应之间复杂的相互作用。他们证明，当受到强度相当于1000个太阳的相同集中太阳辐射时，新的分层结构可以产生两倍于均匀结构的燃料。

3D打印陶瓷结构的技术已获得专利，Synhelion已获得苏黎世联邦理工学院的许可。“这项技术有潜力提高太阳能反应堆的能源效率，从而显着提高可持续航空燃料的经济可行性，”斯坦菲尔德说。

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