#3D-gedruckter Sonnenreaktor

Fortschritt auf dem Weg zur nachhaltigen Treibstoffherstellung aus Luft-CO2 und Sonnenenergie: Schweizer Forschenden ist es gelungen, die Ausbeute ihrer bereits entwickelten Solaranlage durch den Einsatz eines Reaktors aus gedruckten Keramikstrukturen entscheidend zu steigern. Die Testergebnisse lassen hoffen, dass sich dadurch die Wirtschaftlichkeit der CO₂-neutralen Herstellung von Kerosin und Co. entscheidend verbessern könnte, sagen die Wissenschaftler.

Die Menschheit mobilisiert bekanntlich vor Urzeiten abgelagerten Kohlenstoff: Bisher werden Treibstoffe wie Benzin oder Kerosin aus fossilen Energieträgern wie Erdöl hergestellt. Wenn sie verbrennen, wird der Erdatmosphäre dadurch Kohlendioxid hinzugefügt. Um dem Klimawandel entgegenzutreten, arbeiten Wissenschaftler deshalb an Verfahren, Treibstoffe zumindest klimaneutral herzustellen: Bei der Verbrennung soll nur so viel CO₂ freigesetzt werden, wie zuvor bei der Herstellung aus der Atmosphäre gebunden wurde. Bereits seit einigen Jahren arbeitet ein Forscherteam der Eidgenössischen Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich) dabei an einem vielversprechenden Verfahren.

Heiße Reaktionen im Brennpunkt

Kernstück ihres Systems zur Herstellung von Treibstoff aus Luft-CO2 und Sonnenenergie ist ein Solarreaktor, der aus einer porösen, keramischen Struktur aus dem Material Ceroxid besteht. Auf dieses Element wird durch Parabolspiegel konzentrierte Sonnenstrahlung gerichtet. Dadurch heizt sich der Reaktor auf seine Betriebstemperatur von bis zu 1500 Grad Celsius auf. Ihm wird dann Wasser und CO₂ zugeführt, das zuvor aus der Luft gewonnen wurde. In dem heißen Reaktor läuft dann durch die Wirkung des Ceroxids als Katalysator eine zyklische thermochemische Reaktion ab: Das Wasser und das CO₂ werden gespalten und so entsteht sogenanntes Syngas – ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Es kann dann anschließend zu flüssigen Kohlenwasserstoff-Treibstoffen, wie etwa Flugzeug-Kerosin weiterverarbeitet werden.



Video: Funktionsweise der Solaranlage. © ETH Zürich

Dass das System funktioniert, konnten die Entwickler bereits durch eine Versuchsanlage auf dem Dach der ETH unter Beweis stellen. Auf dem Weg zur Kommerzialisierung des Konzepts gab es bisher allerdings noch ein Manko: Effektivität und Ausbeute des Systems lassen noch zu wünschen übrig. Der einschränkende Faktor war dabei die Struktur des Solarreaktors, sagen die Entwickler. Bisher benutzen sie dafür ein auf herkömmliche Weise hergestelltes Keramikelement mit einer gleichmäßigen Porosität. Seine Merkmale führten allerdings dazu, dass es durch die einfallende Sonnenstrahlung nicht optimal erhitzen wurde: Im Innern des Reaktors wurden nicht die idealen Temperaturen für die thermochemische Reaktion erreicht, was die Leistung begrenzte.

Raffinierte Strukturen erhöhen den Wirkungsgrad

Die Lösung des Problems haben nun Weiterentwicklungen im Bereich des 3D-Drucks ermöglicht: Mittlerweile lassen sich auch hochkomplexe keramische Formen durch das additive Verfahren herstellen. Die Wissenschaftler haben diese Technologie jetzt zum Drucken von filigranen Ceroxid-Keramikstrukturen angepasst, um Reaktorkerne zu erstellen, die einen effizienteren Transport der Sonnenstrahlung ins Innere ermöglichen. Dazu entwickelten sie zunächst eine spezielle „Tinte“. Es handelt sich um eine Paste, die aus Polymeren und den Ceroxid-Partikeln besteht und eine Konsistenz aufweist, die einen 3D-Druck ermöglicht. Dabei werden Schichten aufgetragen, die anschließend trocknen, sodass die Rohlinge eine stabile Form behalten. Am Ende werden die fertig gedruckten Reaktorkerne dann bei über 1600 Grad Celsius zu einer festen Keramikeinheit gebrannt.

Für die Tests stellte das Team unterschiedliche Geometrien mit dieser Methode her. Wie sie berichten, stellten sich hierarchische Strukturen mit Kanälen und Poren dabei schließlich als optimal heraus. Die sonnenexponierte Oberfläche ist

dabei recht offen gestaltet, die folgenden Abschnitte werden dann immer dichter. Diese Anordnung ermöglicht es, dass die konzentrierte Sonnenstrahlung besser über das Volumen des Reaktors absorbiert werden kann. Dadurch erreicht dann die gesamte poröse Struktur die Reaktionstemperatur von 1500 Grad und trägt somit zur Treibstofferzeugung bei, erklären die Forschenden.

Wie aus ihren bisherigen Ergebnissen hervorgeht, ist die Wirkung des neuen Konzepts auf die thermochemische Reaktionsleistung erheblich: Es zeigte sich, dass mit den gedruckten hierarchischen Keramikstrukturen im Vergleich zu den bisherigen uniformen Strukturen bei gleicher konzentrierter Sonnenstrahlung doppelt so viel Treibstoff hergestellt werden kann. Dabei handelt es sich also um einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg zur Kommerzialisierung des Konzepts, der sich mittlerweile bereits zwei Spin-off-Unternehmen der Hochschule widmen. Auch die Technologie zum 3D-Druck der Keramikstrukturen ist nun bereits patentiert, schreibt die ETH Zürich. Abschließend sagt dazu Co-Autor Aldo Steinfeld: „Diese Technologie hat das Potenzial, die Energieeffizienz des Solarreaktors deutlich zu steigern und damit die Wirtschaftlichkeit von nachhaltigen Flugtreibstoffen erheblich zu verbessern“, so der Wissenschaftler.

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), Fachartikel: Advanced Materials Interfaces, doi: 10.1002/admi.202300452
https://doi.org/10.1002/admi.202300452

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