3D-gedruckter Reaktorkern macht solare Treibstoffproduktion effizienter

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.

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 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 flüssige Kohlenwasserstoff-​Treibstoffe 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.

Neuartige 3D-Druckmethode

Nun haben Forschende 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 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 Grad 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 verfügt über 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.

Erste Tests erfolgreich

Die Forschenden untersuchten schliesslich das komplexe 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, 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.

Originalpublikation: 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: 10.1002/admi.202300452