3D打印反應堆堆芯可以提高太陽能燃料生產效率

導讀：利用太陽能由CO2和水生產的可再生直接燃料是使航空業(yè)更具可持續(xù)性的一個有前景的解決方案。最有前途的方法之一是涉及基于二氧化鈰的氧化還原循環(huán)的熱化學過程，該過程利用整個太陽光譜作為高溫工藝熱源，直接生產適合合成煤油的合成氣混合物。

△該渲染圖展示了具有分層通道架構的3D打印二氧化鈰結構。集中的太陽輻射入射到分級結構上，并驅動二氧化碳在陽光下分解成單獨的二氧化碳流和氧氣流

然而，目前的問題是二氧化鈰多孔結構的各向同性拓撲結構不足，阻礙了其從太陽能到燃料的能源效率。這種拓撲結構阻止了整個體積內入射集中太陽輻射的有效吸收。

2023年10月29日，南極熊獲悉，蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH）的工程師開發(fā)了一種新的3D打印技術，可以制造具有復雜孔隙幾何形狀的多孔陶瓷結構，從而更有效地將太陽輻射傳輸到反應堆內部。

近十年來，瑞士工程師一直致力于研究利用陽光和空氣生產液體燃料的技術。為此，他們開發(fā)了一種獲得專利的太陽能反應堆，該反應堆暴露在拋物面鏡投射的集中陽光下，溫度高達1500°C。該反應堆包含由氧化鈰制成的多孔陶瓷結構，通過這些結構，進行熱化學循環(huán)以分解之前從空氣中捕獲的水和CO2。

ETH可再生能源載體教授Aldo Steinfeld表示：“這項技術有潛力提高太陽能反應堆的能源效率，從而顯著提高可持續(xù)航空燃料的經濟可行性。 ”

△具有分層通道拓撲結構的多孔陶瓷結構的3D數字表示（右上）和照片（側視圖和俯視圖）。太陽能反應堆（右下）包含一系列這些分級結構，它們直接暴露在集中的太陽輻射下

生產兩倍的太陽能燃料

該技術的結果是合成氣，一種氫氣和一氧化碳的混合物，可以進一步加工生產碳中性液體燃料，例如用于航空的太陽能煤油。

迄今為止，已經使用了具有各向同性孔隙結構的設計，但它們存在一個缺點，即在入射太陽輻射進入反應堆時呈指數級的衰減。這導致內部溫度相對較低，從而限制了太陽能反應堆中燃料的產量。

研究人員表示，與以前的各向同性設計相比，新的分級設計能夠更有效地將太陽輻射傳輸到反應堆內部。這是通過使用陶瓷結構，這些結構具有分層有序的設計，通道和孔隙在表面開放并暴露在陽光下來實現的。這些通道和孔隙在朝向反應堆后部時變得更窄，這一設計已被證明特別有效。

這種設計能夠在整個體積內吸收入射的集中太陽輻射，并使反應溫度達到1500°C，從而提高燃料的產量。

△該論文題目為“太陽驅動下的CO2氧化還原分離，使用3D打印的分級通道氧化鈰結構”（傳送門）

初步實驗測試顯示，當受到強度相當于1000個太陽的相同集中太陽輻射時，這些新型的3D打印反應堆結構可以產生比均勻結構高兩倍的太陽能燃料。

未來，通過衍生公司Climeworks和Synhelion，蘇黎世聯(lián)邦理工學院團隊正在進一步開發(fā)這些技術并將其商業(yè)化。