3D打印反应堆堆芯可以提高太阳能燃料生产效率

导读：利用太阳能由CO2和水生产的可再生直接燃料是使航空业更具可持续性的一个有前景的解决方案。最有前途的方法之一是涉及基于二氧化铈的氧化还原循环的热化学过程，该过程利用整个太阳光谱作为高温工艺热源，直接生产适合合成煤油的合成气混合物。

△该渲染图展示了具有分层通道架构的3D打印二氧化铈结构。集中的太阳辐射入射到分级结构上，并驱动二氧化碳在阳光下分解成单独的二氧化碳流和氧气流

然而，目前的问题是二氧化铈多孔结构的各向同性拓扑结构不足，阻碍了其从太阳能到燃料的能源效率。这种拓扑结构阻止了整个体积内入射集中太阳辐射的有效吸收。

2023年10月29日，南极熊获悉，苏黎世联邦理工学院（ETH）的工程师开发了一种新的3D打印技术，可以制造具有复杂孔隙几何形状的多孔陶瓷结构，从而更有效地将太阳辐射传输到反应堆内部。

近十年来，瑞士工程师一直致力于研究利用阳光和空气生产液体燃料的技术。为此，他们开发了一种获得专利的太阳能反应堆，该反应堆暴露在抛物面镜投射的集中阳光下，温度高达1500°C。该反应堆包含由氧化铈制成的多孔陶瓷结构，通过这些结构，进行热化学循环以分解之前从空气中捕获的水和CO2。

ETH可再生能源载体教授Aldo Steinfeld表示：“这项技术有潜力提高太阳能反应堆的能源效率，从而显着提高可持续航空燃料的经济可行性。 ”

△具有分层通道拓扑结构的多孔陶瓷结构的3D数字表示（右上）和照片（侧视图和俯视图）。太阳能反应堆（右下）包含一系列这些分级结构，它们直接暴露在集中的太阳辐射下

生产两倍的太阳能燃料

该技术的结果是合成气，一种氢气和一氧化碳的混合物，可以进一步加工生产碳中性液体燃料，例如用于航空的太阳能煤油。

迄今为止，已经使用了具有各向同性孔隙结构的设计，但它们存在一个缺点，即在入射太阳辐射进入反应堆时呈指数级的衰减。这导致内部温度相对较低，从而限制了太阳能反应堆中燃料的产量。

研究人员表示，与以前的各向同性设计相比，新的分级设计能够更有效地将太阳辐射传输到反应堆内部。这是通过使用陶瓷结构，这些结构具有分层有序的设计，通道和孔隙在表面开放并暴露在阳光下来实现的。这些通道和孔隙在朝向反应堆后部时变得更窄，这一设计已被证明特别有效。

这种设计能够在整个体积内吸收入射的集中太阳辐射，并使反应温度达到1500°C，从而提高燃料的产量。

△该论文题目为“太阳驱动下的CO2氧化还原分离，使用3D打印的分级通道氧化铈结构”（传送门）

初步实验测试显示，当受到强度相当于1000个太阳的相同集中太阳辐射时，这些新型的3D打印反应堆结构可以产生比均匀结构高两倍的太阳能燃料。

未来，通过衍生公司Climeworks和Synhelion，苏黎世联邦理工学院团队正在进一步开发这些技术并将其商业化。