3D-gedruckter Reaktorkern macht solare Treibstoffproduktion effizienter

In den vergangenen Jahren entwickelten Ingenieure der ETH Z¨¹rich eine Technologie, um aus Sonnenlicht und Luft Fl¨¹ssigtreibstoffe herzustellen. 2019 demonstrierten sie erstmals den gesamten Prozess unter realen Bedingungen mitten in Z¨¹rich, auf dem Dach des Maschinenlaboratoriums der ETH. Solche synthetischen solaren Treibstoffe sind CO₂-neutral, da sie bei der Verbrennung genauso viel CO₂ freisetzen, wie der Luft zu ihrer Herstellung entzogen wurde. Bereits sind die ETH-Spin-offs Climeworks und Synhelion daran, die Technologie weiterzuentwickeln und zu kommerzialisieren.

Kernst¨¹ck des Herstellungsprozesses ist ein Solarreaktor, auf den mit einem Parabolspiegel konzentrierte Sonnenstrahlung gerichtet wird, und der dadurch auf bis zu 1500 Grad Celsius aufgeheizt wird. In diesem Reaktor, der eine por?se Struktur aus Ceroxid enth?lt, l?uft eine zyklische thermochemische Reaktion ab zur Spaltung von Wasser und CO₂, das zuvor aus der Luft abgeschieden wurde. Es entsteht dabei Syngas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das zu fl¨¹ssigen Kohlenwasserstoff-Treibstoffen wie zum Beispiel dem von Flugzeugen verwendeten Kerosin (Flugbenzin) weiterverarbeitet werden kann.

Bisher nutzten die Forschenden dazu eine Struktur mit gleichm?ssiger Porosit?t. Das hat jedoch einen Nachteil: Die einfallende Sonnenstrahlung schw?cht sich auf dem Weg ins Innere des Reaktors exponentiell ab. Dadurch werden im Innern nicht so hohe Temperaturen erreicht, was die Leistung des Solarreaktors begrenzt.

Nun haben Forschende aus der Gruppe von Andr¨¦ Studart, ETH-Professor f¨¹r komplexe Materialien, und der Gruppe von Aldo Steinfeld, ETH-Professor f¨¹r Erneuerbare Energietr?ger, eine neuartige 3D-Druckmethode entwickelt. Sie k?nnen damit Keramikstrukturen mit komplexen Poren-Geometrien zu erzeugen, welche einen effizienteren Transport der Sonnenstrahlung ins Reaktorinnere erm?glichen. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesamt f¨¹r Energie gef?rdert.

Als besonders effizient entpuppt haben sich hierarchische Strukturen mit Kan?len und Poren, deren sonnenexponierte Oberfl?chen offener sind und die zum hinteren Ende des Reaktors dichter werden. Diese Anordnung erm?glicht es, konzentrierte Sonnenstrahlung ¨¹ber das gesamte Volumen zu absorbieren. Dadurch erreicht auch die gesamte por?se Struktur die Reaktionstemperatur von 1500 Grad und tr?gt zur Treibstofferzeugung bei. Die Forschenden stellten die Strukturen mittels einer extrusionsbasierten 3D-Drucktechnik her. Als druckbare Tinte verwendeten sie eine neue f¨¹r diesen Zweck entwickelte Paste. Diese verf¨¹gt ¨¹ber Eigenschaften, die sie f¨¹r diese Herstellungsmethode besonders geeignet macht: Sie ist wenig viskos und enth?lt eine hohe Konzentration von Ceroxidpartikeln, um die Menge an reaktionsf?higem Material zu maximieren.

Erste Tests erfolgreich

Die Forschenden untersuchten schliesslich das komplexe Zusammenspiel zwischen der ?bertragung der Strahlungsw?rme und der thermochemischen Reaktion. So konnten sie zeigen, dass sich mit ihren neuen hierarchischen Keramikstrukturen im Vergleich zu den bisherigen uniformen Strukturen bei gleicher konzentrierter Sonnenstrahlung, die der Intensit?t von 1000 Sonnen entspricht, doppelt so viel Treibstoff herstellen l?sst. Die Technologie zum 3D-Druck der Keramikstrukturen ist bereits patentiert, Synhelion hat die Lizenz von der ETH Z¨¹rich erworben. ?Diese Technologie hat das Potenzial, die Energieeffizienz des Solarreaktors deutlich zu steigern und damit die Wirtschaftlichkeit von nachhaltigen Flugtreibstoffen erheblich zu verbessern?, betont Aldo Steinfeld.