Il nucleo del reattore stampato in 3D rende più efficiente la produzione di combustibile solare

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L’illustrazione mostra una struttura in ossido di cerio stampata in 3D con
L’illustrazione mostra una struttura in ossido di cerio stampata in 3D con un’architettura gerarchica dei canali. La radiazione solare concentrata cade sulla struttura e guida la scissione solare della CO2 (a sinistra nell’immagine) in flussi separati di CO e O2. (Grafico: da Advanced Materials Interfaces (Vol. 10, No. 30, 2023) doi.org/10.1002/admi.202300452)
Grazie a una nuova tecnica di stampa 3D, i ricercatori del Politecnico di Zurigo sono in grado di produrre strutture ceramiche complesse per il reattore solare. I primi test lo dimostrano: Questo può aumentare in modo significativo la resa del combustibile solare.

Negli ultimi anni, gli ingegneri del Politecnico di Zurigo hanno sviluppato una tecnologia per produrre combustibili liquidi dalla luce solare e dall’aria. Nel 2019 hanno dimostrato per la prima volta l’intero processo in condizioni reali nel centro di Zurigo, sul tetto del laboratorio di macchine del Politecnico. Questi combustibili solari sintetici sono neutrali rispetto alla CO2, in quanto durante la combustione rilasciano tanta CO2 quanta ne è stata estratta dall’aria per produrli. Gli spin-off dell’ETH Climeworks e Synhelion stanno già lavorando per sviluppare ulteriormente e commercializzare la tecnologia.

Il cuore del processo di produzione è un reattore solare sul quale viene indirizzata la radiazione solare concentrata mediante uno specchio parabolico, riscaldandola così fino a 1500 gradi Celsius. In questo reattore, che contiene una struttura porosa in ossido di cerio, avviene una reazione termochimica ciclica per scindere l’acqua e il CO2, precedentemente separati dall’aria. Si ottiene così il syngas, una miscela di idrogeno e monossido di carbonio, che può essere ulteriormente trasformato in combustibili liquidi idrocarburici, come la paraffina (carburante per l’aviazione) utilizzata dagli aerei.

Finora, i ricercatori hanno utilizzato a questo scopo una struttura con porosità uniforme. Tuttavia, questa soluzione presenta uno svantaggio: la radiazione solare incidente si indebolisce in modo esponenziale durante il percorso verso l’interno del reattore. Di conseguenza, all’interno si raggiungono temperature non molto elevate, che limitano le prestazioni del reattore solare.

Ora i ricercatori del gruppo di André Studart, professore dell’ETH per i materiali complessi, e del gruppo di Aldo Steinfeld, professore dell’ETH per le fonti di energia rinnovabili, hanno sviluppato un nuovo metodo di stampa 3D. Con esso è possibile creare strutture ceramiche con geometrie complesse dei pori che consentono un trasporto più efficiente della radiazione solare all’interno del reattore. Il progetto di ricerca è finanziato dall’Ufficio federale dell’energia.

Le strutture gerarchiche con canali e pori, le cui superfici esposte al sole sono più aperte e che diventano più dense verso la parte posteriore del reattore, si sono rivelate particolarmente efficienti. Questa disposizione consente di assorbire la radiazione solare concentrata sull’intero volume. Di conseguenza, l’intera struttura porosa raggiunge la temperatura di reazione di 1500 gradi e contribuisce alla produzione di combustibile. I ricercatori hanno fabbricato le strutture utilizzando una tecnica di stampa 3D basata sull’estrusione. Come inchiostro stampabile hanno utilizzato una nuova pasta sviluppata a questo scopo. Questa pasta ha proprietà che la rendono particolarmente adatta a questo metodo di produzione: è a bassa viscosità e contiene un’alta concentrazione di particelle di ossido di cerio per massimizzare la quantità di materiale reattivo.

I primi test hanno avuto successo

I ricercatori hanno infine studiato la complessa interazione tra il trasferimento di calore radiante e la reazione termochimica. Sono riusciti a dimostrare che le loro nuove strutture ceramiche gerarchiche possono produrre il doppio del combustibile rispetto alle precedenti strutture uniformi con la stessa radiazione solare concentrata, che equivale all’intensità di 1000 soli. La tecnologia per la stampa 3D delle strutture ceramiche è già stata brevettata e Synhelion ha acquisito la licenza dal Politecnico di Zurigo. "Questa tecnologia ha il potenziale per aumentare significativamente l’efficienza energetica del reattore solare e quindi migliorare sostanzialmente la redditività economica dei carburanti sostenibili per l’aviazione", sottolinea Aldo Steinfeld.
Peter Rüegg