L’ETH Zurich imprime en 3D le coeur d’un réacteur solaire à partir de céramiques techniques

Des chercheurs des départements des matériaux complexes et des sources d’énergie renouvelables de l’ETH Zurich ont réussi à fabriquer le cœur d’un réacteur solaire à partir de céramiques imprimées individuellement en 3D. Les réacteurs solaires sont utilisés pour produire des combustibles liquides neutres en carbone, tels que la paraffine solaire pour l’industrie aérospatiale. Cette technologie présente donc un grand potentiel pour l’aviation à faibles émissions, rendu possible par l’utilisation de la fabrication additive. Ces carburants plus respectueux de l’environnement pourraient désormais être produits en plus grandes quantités grâce à l’efficacité accrue des réacteurs solaires. Le projet de l’ETH Zurich est financé par l’Office fédéral de l’énergie.

En termes simples, le réacteur solaire fonctionne en étant d’abord éclairé par la lumière du soleil provenant d’un miroir parabolique. La nouvelle structure du réacteur comprend un système imprimé en 3D composé de structures céramiques hiérarchisées. Celles-ci s’ouvrent sur la surface orientée vers le soleil et se rétrécissent vers l’arrière du réacteur, piégeant ainsi la chaleur. Comme l’ont montré les premiers essais réussis à l’ETH Zurich, l’ensemble de la structure est capable d’atteindre une température de réaction de 1 500 °C grâce au rayonnement solaire concentré. De plus, le rayonnement solaire est transporté plus efficacement dans le réacteur grâce aux composants imprimés en 3D. Par conséquent, par rapport aux structures isotropes précédentes, une quantité deux fois plus importante de combustible solaire neutre en carbone est produite avec la même quantité de rayonnement solaire. Les structures céramiques elles-mêmes sont imprimées par extrusion à partir d’une pâte spécialement développée. Celle-ci se compose d’une grande quantité de particules d’oxyde de cérium afin d’obtenir le matériau le plus réactif possible et de maximiser ainsi l’efficacité du réacteur solaire.

Structure céramique imprimée en 3D (à gauche) et réacteur solaire (à droite))

L’ETH Zurich mène des recherches sur les carburants solaires depuis plus de dix ans et a déjà démontré le processus de leur production sur le campus universitaire en 2019. Les ingénieurs de l’université suisse ont également déjà développé un réacteur solaire dans lequel l’énergie solaire concentrée est utilisée pour produire un gaz de synthèse (hydrogène et monoxyde de carbone) à travers une série de cycles thermochimiques pour diviser l’eau et le CO2. Ce gaz est ensuite utilisé pour produire des carburants solaires liquides, tels que la paraffine solaire pour les avions. Ces combustibles sont neutres en CO2, car la quantité de carbone libérée lors de la combustion est identique à celle qui a été extraite de l’air pour la production du gaz de synthèse. Les structures précédemment utilisées dans le réacteur avaient une porosité isotrope. Les rayons du soleil frappant le réacteur étaient atténués à leur entrée dans le réacteur en raison des propriétés de la surface. Cela empêchait le réacteur d’atteindre la température interne optimale, ce qui limitait ses performances et la production de combustible.

Selon l’ETH Zurich, sa nouvelle technologie est déjà très avancée, de sorte que les entreprises dérivées de l’ETH, Climeworks et Synhelion, s’efforcent de poursuivre le développement de la technologie, de la commercialiser et de collaborer avec des entreprises telles que l’aéroport de Zurich et Lufthansa. En outre, la technologie d’impression 3D pour les structures en céramique a déjà été brevetée. Synhelion a également reçu une licence de l’ETH Zurich. M. Steinfeld, professeur au département de génie mécanique et des procédés de l’ETH Zurich, souligne : « Cette technologie a le potentiel d’accroître l’efficacité énergétique de l’avion solaire et donc d’améliorer considérablement la viabilité économique des carburants durables pour l’aviation. »

Illustration du réacteur imprimé en 3D

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