le cœur d'un réacteur imprimé en 3D rend la production de combustible solaire plus efficace
Grâce à une nouvelle technique d'impression 3D, des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé des structures céramiques spéciales pour un réacteur solaire
Ces dernières années, les ingénieurs de l'ETH Zurich ont développé la 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 de la chaîne de processus thermochimique dans des conditions réelles, en plein Zurich, sur le toit de l'ETH Machine Laboratory. Ces carburants solaires synthétiques sont neutres en carbone, car ils ne rejettent lors de leur combustion que la quantité deCO2 qui a été extraite de l'air pour leur production. Deux spin-offs de l'ETH, Climeworks et Synhelion, poursuivent le développement et la commercialisation de ces technologies.
Représentation numérique en 3D (en haut à droite) et photographies (vues de côté et de dessus) de la structure en céramique poreuse avec une topologie hiérarchiquement canalisée. Le réacteur solaire (en bas à droite) contient un réseau de ces structures graduées, qui sont directement exposées au rayonnement solaire concentré.
ETH Zurich
Au cœur du processus de production se trouve un réacteur solaire exposé à la lumière concentrée du soleil fournie par un miroir parabolique et atteignant des températures allant jusqu'à 1 500 degrés Celsius. À l'intérieur de ce réacteur, qui contient une structure céramique poreuse faite d'oxyde de cérium, un cycle thermochimique se déroule pour diviser l'eau et leCO2 capturé précédemment dans l'air. Le produit est le gaz de synthèse : un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone, qui peut être transformé en carburants hydrocarbonés liquides tels que le kérosène (jet fuel) pour l'aviation.
Jusqu'à présent, les structures à porosité isotrope ont été utilisées, mais elles présentent l'inconvénient d'atténuer de manière exponentielle le rayonnement solaire incident lorsqu'il pénètre dans le réacteur. Il en résulte des températures internes plus basses, ce qui limite le rendement en combustible du réacteur solaire.
Aujourd'hui, des chercheurs du groupe d'André Studart, professeur ETH de matériaux complexes, et du groupe d'Aldo Steinfeld, professeur ETH de porteurs d'énergie renouvelable, ont développé une nouvelle méthodologie d'impression 3D qui leur permet de fabriquer des structures céramiques poreuses avec des géométries de pores complexes afin de transporter plus efficacement le rayonnement solaire à l'intérieur du réacteur. Le projet de recherche est financé par l'Office fédéral de l'énergie.
Les structures hiérarchiquement ordonnées avec des canaux et des pores ouverts à la surface exposée à la lumière du soleil et qui deviennent plus étroits vers l'arrière du réacteur se sont avérées particulièrement efficaces. Cette disposition permet d'absorber le rayonnement solaire concentré incident sur l'ensemble du volume. Cela permet à l'ensemble de la structure poreuse d'atteindre la température de réaction de 1 500 °C, ce qui stimule la production de combustible. Ces structures céramiques ont été fabriquées à l'aide d'un procédé d'impression 3D par extrusion et d'un nouveau type d'encre présentant des caractéristiques optimales développées spécifiquement à cette fin, à savoir : une faible viscosité et une forte concentration de particules de cérium pour maximiser la quantité de matériau actif d'oxydoréduction.
Des essais initiaux réussis
Les chercheurs ont étudié l'interaction complexe entre le transfert de chaleur rayonnante et la réaction thermochimique. Ils ont pu montrer que leurs nouvelles structures hiérarchiques peuvent produire deux fois plus de carburant que les structures uniformes lorsqu'elles sont soumises au même rayonnement solaire concentré d'une intensité équivalente à 1 000 soleils.
La technologie d'impression 3D des structures céramiques est déjà brevetée, et Synhelion a acquis la licence de l'ETH Zurich. "Cette technologie a le potentiel d'augmenter l'efficacité énergétique du réacteur solaire et donc d'améliorer de manière significative la viabilité économique des carburants durables pour l'aviation", explique M. Steinfeld.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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