3D打印反應堆堆芯可以提高太陽能燃料生產(chǎn)效率

導讀：利用太陽能由CO2和水生產(chǎn)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(chǎn)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(gòu)的3D打印二氧化鈰結(jié)構(gòu)。集中的太陽輻射入射到分級結(jié)構(gòu)上，并驅(qū)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(jié)構(gòu)的各向同性拓撲結(jié)構(gòu)不足，阻礙了其從太陽能到燃料的能源效率。這種拓撲結(jié)構(gòu)阻止了整個體積內(nèi)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(shù)，可以制造具有復雜孔隙幾何形狀的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，從而更有效地將太陽輻射傳輸?shù)椒磻�堆�?nèi)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(chǎn)液體燃料的技術(shù)。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(jié)構(gòu)，通過這些結(jié)構(gòu)，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(shù)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(jīng)濟可行性。 ”

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

生產(chǎn)兩倍的太陽能燃料

該技術(shù)的結(jié)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(chǎn)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(jīng)使用了具有各向同性孔隙結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shù)級的衰減。這導致內(nèi)部溫度相對較低，從而限制了太陽能反應堆中燃料的產(chǎn)量。

研究人員表示，與以前的各向同性設(shè)計相比，新的分級設(shè)計能夠更有效地將太陽輻射傳輸?shù)椒磻�堆�?nèi)部。這是通過使用陶瓷結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有分層有序的設(shè)計，通道和孔隙在表面開放并暴露在陽光下來實現(xiàn)的。這些通道和孔隙在朝向反應堆后部時變得更窄，這一設(shè)計已被證明特別有效。

這種設(shè)計能夠在整個體積內(nèi)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(chǎn)量。

△該論文題目為“太陽驅(qū)動下的CO2氧化還原分離，使用3D打印的分級通道氧化鈰結(jié)構(gòu)”（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(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生比均勻結(jié)構(gòu)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(shù)并將其商業(yè)化。