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

Negli ultimi anni, gli ingegneri dell'ETH 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 dell'ETH. Questi combustibili solari sintetici sono combustibili a base di CO₂-neutrali, in quanto assorbono altrettanta CO₂ come è stato estratto dall'aria per produrli. Le spin-off Climeworks e Synhelion dell'ETH stanno già lavorando per sviluppare ulteriormente e commercializzare la tecnologia.

Il fulcro del processo di produzione è un reattore solare verso il quale viene indirizzata la radiazione solare concentrata mediante uno specchio parabolico, riscaldandola fino a 1500 gradi Celsius. In questo reattore, che contiene una struttura porosa in ossido di cerio, avviene una reazione termochimica ciclica per scindere acqua e CO₂,che in precedenza veniva separato 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 (benzina per aviazione) utilizzata dagli aerei.

Finora i ricercatori hanno utilizzato una struttura con porosità uniforme. Tuttavia, questo comporta uno svantaggio: la radiazione solare incidente si indebolisce in modo esponenziale durante l'ingresso nel reattore. Di conseguenza, le temperature all'interno non sono così elevate, il che limita le prestazioni del reattore solare.

I ricercatori del gruppo di André Studart, professore di materiali complessi dell'ETH, e del gruppo di Aldo Steinfeld, professore di fonti energetiche rinnovabili dell'ETH, hanno sviluppato un nuovo tipo di metodo di stampa 3D. Con esso è possibile produrre 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 dimostrate 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 prodotto le strutture utilizzando una tecnica di stampa 3D basata sull'estrusione. Come inchiostro stampabile hanno utilizzato una nuova pasta sviluppata a questo scopo. Questa ha decisioni che la rendono particolarmente adatta a questo metodo di produzione: è meno viscosa e contiene un'alta concentrazione di particelle di ossido di cerio per massimizzare la quantità di materiale reattivo.

I primi test hanno avuto successo

Infine, i ricercatori hanno 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 essere utilizzate per produrre il doppio del combustibile con la stessa radiazione solare concentrata, che corrisponde all'intensità di 1000 soli, rispetto alle precedenti strutture uniformi. La tecnologia per la stampa 3D delle strutture ceramiche è già stata brevettata e Synhelion ha acquisito la licenza dall'ETH di Zurigo. "Questa tecnologia ha il potenziale per aumentare in modo significativo l'efficienza energetica del reattore solare e quindi migliorare notevolmente l'efficienza economica dei carburanti sostenibili per l'aviazione", sottolinea Aldo Steinfeld.