Un c½ur de réacteur imprimé en 3D rend la production de combustible solaire plus efficace

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L’illustration montre une structure d’oxyde de cérium imprimée en 3D
L’illustration montre une structure d’oxyde de cérium imprimée en 3D avec une architecture de canaux hiérarchisée. Un rayonnement solaire concentré tombe sur la structure et favorise la décomposition solaire du CO2 (à gauche sur l’image) en flux séparés de CO et d’O2. (Graphique : tiré de Advanced Materials Interfaces (volume 10, n° 30, 2023) doi.org/10.1002/admi.202300452)
Grâce à une nouvelle technique d’impression 3D, les chercheurs de l’ETH Zurich peuvent fabriquer des structures céramiques complexes pour le réacteur solaire. Les premiers tests le montrent : Cela permet d’augmenter considérablement le rendement du carburant solaire.

Au cours des dernières années, des ingénieurs de l’ETH Zurich ont développé une technologie permettant de produire des carburants liquides à partir de la lumière du soleil et de l’air. En 2019, ils ont démontré pour la première fois l’ensemble du processus dans des conditions réelles au c½ur de Zurich, sur le toit du laboratoire de machines de l’ETH. De tels carburants solaires synthétiques sont neutres en termes de CO#x#sub#2, car ils libèrent autant de CO#x#sub#2 lors de leur combustion que ce qui a été extrait de l’air pour leur fabrication. Les spin-offs Climeworks et Synhelion de l’ETH sont déjà en train de développer et de commercialiser cette technologie.

La pièce maîtresse du processus de fabrication est un réacteur solaire sur lequel est dirigé un rayonnement solaire concentré à l’aide d’un miroir parabolique et qui est ainsi chauffé à une température pouvant atteindre 1500 degrés Celsius. Dans ce réacteur, qui contient une structure poreuse en oxyde de cérium, se déroule une réaction thermochimique cyclique visant à séparer l’eau et le CO2, qui a été préalablement séparé de l’air. Il en résulte du syngaz, un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone, qui peut être transformé en carburant liquide à base d’hydrocarbures, comme par exemple le kérosène (essence d’aviation) utilisé par les avions.

Jusqu’à présent, les chercheurs utilisaient pour cela une structure à porosité uniforme. Mais cela a un inconvénient : le rayonnement solaire incident s’affaiblit de manière exponentielle en pénétrant à l’intérieur du réacteur. De ce fait, les températures à l’intérieur ne sont pas aussi élevées, ce qui limite la puissance du réacteur solaire.

Des chercheurs du groupe d’André Studart, professeur à l’ETH pour les matériaux complexes, et du groupe d’Aldo Steinfeld, professeur à l’ETH pour les énergies renouvelables, ont maintenant développé une nouvelle méthode d’impression 3D. Ils peuvent ainsi créer des structures céramiques avec des géométries de pores complexes, qui permettent un transport plus efficace du rayonnement solaire vers l’intérieur du réacteur. Ce projet de recherche est soutenu par l’Office fédéral de l’énergie.

Les structures hiérarchisées avec des canaux et des pores, dont les surfaces exposées au soleil sont plus ouvertes et qui deviennent plus denses vers l’arrière du réacteur, se sont révélées particulièrement efficaces. Cette disposition permet d’absorber le rayonnement solaire concentré sur l’ensemble du volume. Ainsi, l’ensemble de la structure poreuse atteint également la température de réaction de 1500 degrés et contribue à la production de carburant. Les chercheurs ont fabriqué les structures à l’aide d’une technique d’impression 3D basée sur l’extrusion. Ils ont utilisé une nouvelle pâte développée à cet effet comme encre imprimable. Celle-ci possède des propriétés qui la rendent particulièrement adaptée à cette méthode de fabrication : elle est peu visqueuse et contient une forte concentration de particules d’oxyde de cérium afin de maximiser la quantité de matériau réactif.

Premiers tests concluants

Les chercheurs ont finalement étudié l’interaction complexe entre la transmission de la chaleur rayonnante et la réaction thermochimique. Ils ont ainsi pu montrer que leurs nouvelles structures céramiques hiérarchiques permettaient de produire deux fois plus de carburant que les structures uniformes utilisées jusqu’à présent, pour un même rayonnement solaire concentré, d’une intensité équivalente à celle de 1000 soleils. La technologie d’impression 3D des structures céramiques est déjà brevetée, Synhelion a acquis la licence auprès de l’ETH Zurich. "Cette technologie a le potentiel d’augmenter considérablement l’efficacité énergétique du réacteur solaire et donc d’améliorer considérablement la rentabilité des carburants d’aviation durables", souligne Aldo Steinfeld.
Peter Rüegg