ETH Zürich entwickelt 3D-gedruckte Keramiken für effizientere Herstellung von Solartreibstoff

Forschenden der ETH Zürich von den Professuren für komplexe Materialien und für erneuerbare Energieträger ist es gelungen, einen Solarreaktorkern aus individuell 3D-gedruckter Keramik herzustellen. Solarreaktoren dienen der Erzeugung von CO2-neutralen flüssigen Brennstoffen wie solarem Kerosin für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Die Technologie birgt also Potenzial für eine emissionsärmere Luftfahrt durch die Verwendung der additiven Fertigung. Derartige umweltfreundlichere Brennstoffe können aufgrund der gesteigerten Effizienz der Solarreaktoren nun in höherer Menge produziert werden. Das Projekt wird mit Geldern des Schweizer Bundesamts für Energie ermöglicht.

Der Solarreaktor wird von einem Parabolspiegel mit Sonnenlicht beschienen. Die neue Struktur des Reaktors beinhaltet eine 3D-gedruckte komplexe hierarchisch angeordnete Keramikstruktur. Diese öffnet sich an der zur Sonne hingerichteten Oberfläche und verengt sich weiter in den hinteren Teil des Reaktors. Wie erste erfolgreiche Tests der ETH Zürich zeigen, erreicht auf diese Weise die gesamte Struktur die Reaktionstemperatur von 1500°C aufgrund von konzentrierter Sonneneinstrahlung. Zudem wird die Sonneneinstrahlung effizienter in das Innere des Reaktors transportiert. Dies hat zur Folge, dass die doppelte Menge an kohlenstoffneutralem Solar-Treibstoff bei gleicher Sonneneinstrahlung im Vergleich zu bei vorherigen isotropen Strukturen erzeugt wird. Die Keramik-Strukturen werden durch den Extruder und eine speziell entwickelte Paste vom 3D-Drucker gedruckt. Die extrudierte Paste besteht hierbei aus einer hohen Menge an Ceroxidpartikeln, um möglichst reaktionsfähiges Material zu erhalten und somit die Effizienz des Solarreaktors zu maximieren.

3D-gedruckte Keramikstruktur (links) und Solarreaktor (rechts)

Die von der ETH Zürich entwickelte Technologie

Die ETH Zürich forscht schon seit zehn Jahren an Solar-Treibstoffen und hat 2019 den Prozess für deren Produktion auf dem Universitätsgelände demonstriert. Die Ingenieure der schweizer Universität haben außerdem bereits einen Solarreaktor entwickelt, in dem die Energie der konzentrierten Sonneneinstrahlung verwendet wird, um durch einen thermochemischen Zyklus zur Spaltung von Wasser und CO2 Synthesegas zu produzieren. Dieses wird widerum für die Herstellung flüssiger Solartreibstoffe wie Solar-Kerosin als Flugzeugtreibstoff verwendet. Diese Solartreibstoffe sind CO2-neutral, da bei ihrer Verbrennung nur so viel Kohlenstoff freigesetzt wird wie zuvor für die Produktion des Synthesegases aus der Luft gewonnen wurde. Die bisher genutzten Strukturen im Reaktor wiesen eine isotrope Porosität auf. Die auf den Reaktor auftreffenden Sonnenstrahlen wurden dabei aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit auf dem Weg ins Innere des Reaktors abgeschwächt. Somit konnte nicht die optimale Innentemperatur im Reaktor erreicht werden, wodurch seine Leistung und die Brennstoffproduktion begrenzt wurde.

Darstellung des 3D-gedruckten Reaktors

Laut der ETH Zürich ist ihre neu entwickelte Technologie bereits hoch entwickelt, weshalb die Spinoffs der ETH, Climeworks und Synhelion, bestrebt sind, die Technologie kommerziell weiterzuentwickeln, zu vermarkten und mit Unternehmen wie etwa dem Züricher Flughafen und der Lufthansa zusammenzuarbeiten. Zudem ist die 3D-Druck-Technologie der Keramikstrukturen bereits patentiert. Des Weiteren hat Synhelion bereits die Lizenz von der ETH Zürich erhalten. Steinfeld, ordentlicher Professor am Department für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich betont: „Diese Technologie hat das Potenzial, die Energieeffizienz des Solarreaktors zu steigern und damit die Wirtschaftlichkeit nachhaltiger Flugtreibstoffe deutlich zu verbessern“. 

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*Bildnachweise: ETH Zürich