3D打印反應(yīng)堆堆芯可以提高太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)效率

導(dǎo)讀：利用太陽(yáng)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(gè)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(xué)過(guò)程，該過(guò)程利用整個(gè)太陽(yáng)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(yáng)輻射入射到分級(jí)結(jié)構(gòu)上，并驅(qū)動(dòng)二氧化碳在陽(yáng)光下分解成單獨(dú)的二氧化碳流和氧氣流

然而，目前的問(wèn)題是二氧化鈰多孔結(jié)構(gòu)的各向同性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不足，阻礙了其從太陽(yáng)能到燃料的能源效率。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)阻止了整個(gè)體積內(nèi)入射集中太陽(yáng)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(xué)院（ETH）的工程師開(kāi)發(fā)了一種新的3D打印技術(shù)，可以制造具有復(fù)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(yáng)輻射傳輸?shù)椒磻?yīng)堆內(nèi)部。

近十年來(lái)，瑞士工程師一直致力于研究利用陽(yáng)光和空氣生產(chǎn)液體燃料的技術(shù)。為此，他們開(kāi)發(fā)了一種獲得專利的太陽(yáng)能反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆暴露在拋物面鏡投射的集中陽(yáng)光下，溫度高達(dá)1500°C。該反應(yīng)堆包含由氧化鈰制成的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，通過(guò)這些結(jié)構(gòu)，進(jìn)行熱化學(xué)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(xiàng)技術(shù)有潛力提高太陽(yáng)能反應(yīng)堆的能源效率，從而顯著提高可持續(xù)航空燃料的經(jīng)濟(jì)可行性。 ”

△具有分層通道拓?fù)浣Y(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(yáng)能反應(yīng)堆（右下）包含一系列這些分級(jí)結(jié)構(gòu)，它們直接暴露在集中的太陽(yáng)輻射下

生產(chǎn)兩倍的太陽(yáng)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(jìn)一步加工生產(chǎn)碳中性液體燃料，例如用于航空的太陽(yáng)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(jì)，但它們存在一個(gè)缺點(diǎn)，即在入射太陽(yáng)輻射進(jìn)入反應(yīng)堆時(shí)呈指數(shù)級(jí)的衰減。這導(dǎo)致內(nèi)部溫度相對(duì)較低，從而限制了太陽(yáng)能反應(yīng)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(jì)相比，新的分級(jí)設(shè)計(jì)能夠更有效地將太陽(yáng)輻射傳輸?shù)椒磻?yīng)堆內(nèi)部。這是通過(guò)使用陶瓷結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有分層有序的設(shè)計(jì)，通道和孔隙在表面開(kāi)放并暴露在陽(yáng)光下來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些通道和孔隙在朝向反應(yīng)堆后部時(shí)變得更窄，這一設(shè)計(jì)已被證明特別有效。

這種設(shè)計(jì)能夠在整個(gè)體積內(nèi)吸收入射的集中太陽(yáng)輻射，并使反應(yīng)溫度達(dá)到1500°C，從而提高燃料的產(chǎn)量。

△該論文題目為“太陽(yáng)驅(qū)動(dòng)下的CO2氧化還原分離，使用3D打印的分級(jí)通道氧化鈰結(jié)構(gòu)”（傳送門(mén)）

初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，當(dāng)受到強(qiáng)度相當(dāng)于1000個(gè)太陽(yáng)的相同集中太陽(yáng)輻射時(shí)，這些新型的3D打印反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生比均勻結(jié)構(gòu)高兩倍的太陽(yáng)能燃料。

未來(lái)，通過(guò)衍生公司Climeworks和Synhelion，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這些技術(shù)并將其商業(yè)化。