Anders strukturiert Gedruckter Reaktorkern verbessert solare Treibstoffproduktion stark

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Per 3D-​Druck kann man an der ETH Zürich jetzt komplexe Keramikstrukturen für Solarreaktoren herstellen, heißt es. Erste Tests hätten gezeigt, dass damit die Ausbeute an Solartreibstoff steige.

In den vergangenen Jahren entwickelten Ingenieure an der ETH Zürich ein Verfahren, um aus Sonnenlicht und Luft Flüssigtreibstoffe herzustellen. 2019 demonstrierten sie dann erstmals den gesamten Prozess unter realen Bedingungen mitten in Zürich. Und zwar auf dem Dach des Maschinenlaboratoriums der ETH. Solche synthetischen solaren Treibstoffe gelten als CO₂-​neutral, weil sie bei der Verbrennung genauso viel CO₂ freisetzen, wie der Luft zu ihrer Herstellung entzogen wurde. Und die ETH-​Spin-offs Climeworks und Synhelion schicken sich bereits an, diese Technik weiterzuentwickeln, um sie zu kommerzialisieren.

Das Kernstück des Herstellungsprozesses ist ein Solarreaktor, auf den mit einem Parabolspiegel konzentrierte Sonnenstrahlung gerichtet wird. Er heizt sich dabei bis auf 1.500 Grad Celsius auf. In diesem Reaktor, der eine poröse Struktur aus Ceroxid enthält, läuft eine zyklische thermochemische Reaktion ab, die zur Spaltung von Wasser und CO₂ führt, das zuvor aus der Luft abgeschieden wurde. Es entsteht dabei Sythesegas (Syngas), ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das zu flüssigen Kohlenwasserstoff-​Treibstoffen wie zum Beispiel dem von Flugzeugen verwendeten Kerosin (Flugbenzin) weiterverarbeitet werden kann. Die Technik konnte jetzt mittels keramischem 3D-Druck optimiert werden ...

Extrusionsbasierter Keramikdruck macht`s möglich

Bisher nutzten die Schweizer dazu eine Struktur mit gleichmäßiger Porosität. Die hat jedoch einen Nachteil, denn die einfallende Sonnenstrahlung schwächt sich auf dem Weg ins Innere des Reaktors exponentiell ab. Deshalb werden im Innern des Reaktors nicht so hohe Temperaturen wie möglich erreicht, was die Leistung des Solarreaktors begrenzt. Nun hat man eine neuartige 3D-​Druckmethode entwickelt. Die Experten können damit Keramikstrukturen mit komplexen Porengeometrien herstellen, welche einen verlustärmeren Transport der Sonnenstrahlung ins Reaktorinnere ermöglichen.

Als besonders effizient sollen sich hierarchische Strukturen mit Kanälen und Poren erwiesen haben, deren sonnenexponierte Oberflächen offener sind und zum hinteren Ende des Reaktors dichter werden. Diese Anordnung ermöglicht es, konzentrierte Sonnenstrahlung über das gesamte Volumen zu absorbieren. So erreicht auch die gesamte poröse Struktur die Reaktionstemperatur von 1.500 Grad, um für die Treibstoffproduktion zur Verfügung zu stehen. Die Forscher stellten die Strukturen genauer gesagt, mit einer extrusionsbasierten 3D-​Drucktechnik her. Als druckbare Tinte verwendeten sie eine für diesen Zweck neu entwickelte Paste. Die Paste habe Eigenschaften, die sie für diese Herstellungsmethode besonders geeignet mache, denn sie wird als wenig viskos beschrieben und enthält eine hohe Konzentration von Ceroxidpartikeln, um die Menge an reaktionsfähigem Material zu maximieren.

Tests erbringen doppelt so viel solaren Treibstoff

Die Forscher 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 einheitlichen Strukturen bei gleicher konzentrierter Sonnenstrahlung, die der Intensität von 1.000 Sonnen entspricht, doppelt so viel Treibstoff herstellen lässt. Diese Alternative zur Herstellung von Reaktorkernen für die solare Treibstoffproduktion hat das Potenzial, die Energieeffizienz des Solarreaktors deutlich zu steigern und damit die Wirtschaftlichkeit von nachhaltigen Flugtreibstoffen erheblich zu verbessern. Die Technik zum 3D-​Druck der Keramikstrukturen sei bereits patentiert. Synhelion hat die Lizenz von der ETH Zürich erworben, heißt es. Das Forschungsprojekt wird übrigens vom Bundesamt für Energie gefördert.

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