3Dプリントリアクタコア、太陽エネルギー産出を効率化

November, 22, 2023, Zurich--ETH-Zurichの研究者は、新しい3Dプリンティング技術を使用して、太陽電池原子炉用の特殊なセラミック構造を開発した。最初の実験的テストでは、これらの構造が太陽燃料の生産収量を高めることができることが示されている。

近年、ETH-Zurichのエンジニアは、太陽光と空気から液体燃料を製造する技術を開発した。2019年には、チューリッヒ中心部のETHマシンラボの屋根で、熱化学プロセスチェーン全体を実条件で初めて実証した。これらの合成太陽熱燃料は、製造時に空気から採取された量と同等のCO2しか燃焼中に排出しないため、カーボンニュートラルである。ETHのスピンオフ企業、ClimeworksとSynhelionは、この技術の開発をさらに進めて商業化しようとしている。

製造プロセスの中心にあるのは、ソーラリアクタ。これは、パラボラミラーにより集光された太陽光にさらされ、1500℃までの温度に達する。リアクタ内部は酸化セリウムでできた多孔性セラミック構造を含む。ここで、熱化学サイクルが起こり、以前に空気から取得した水とCO2を分解する。生成物は合成ガスで、水素と一酸化炭素の混合物である。これは、さらに航空動力用の灯油(ジェット燃料)などの液体炭化水素燃料に加工できる。

これまで、等方性多孔性を有する構造が用いられてきたが、これらには欠陥がある。入射した太陽放射がリアクタに入る際に指数関数的に減衰する。これにより、内部温度が下がり、ソーラリアクタの燃料収量が制限される。

今回、ETHの複合材料教授André Studartと、ETHの再生可能エネルギーキャリア教授Aldo Steinfeldグループの研究者は、新しい3Dプリンティング手法を開発した。これにより、複雑な細孔形状を持つ多孔性セラミック構造を製造し、太陽放射をより効率的にリアクタ内部に輸送できる。この研究プロジェクトは、スイス連邦エネルギー局から資金提供を受けている。

太陽光にさらされる表面で開口し、リアクタ後部に向かって狭くなるチャネルと細孔を持つ階層的に秩序付けられた設計は、特に効率的であることが証明されている。この配置により、入射集中太陽放射を体積全体に吸収することができる。これにより、多孔性構造全体が1500℃の反応温度に達し、燃料生成が増加する。これらのセラミック構造は、押出ベースの3Dプリンティングプロセスと、特にこの目的のために開発された最適な特性をもつ新しいタイプのインクを使用して製造された。即ち、酸化還元活性物質の量を最大化するために低粘度と高濃度のセリア粒子である。

初期テスト成功
研究チームは、輻射熱の伝達と熱化学反応の間の複雑な相互作用を調べた。チームは、新しい階層構造が、1000 sunsに相当する強度の同じ集中太陽放射にさらされた場合、均一構造の2倍の燃料を生成できることを示した。

セラミック構造を3Dプリントする技術はすでに特許を取得しており、SynhelionはETH-Zurichからライセンスを取得している。「この技術は、ソーラリアクタのエネルギー効率を高め、持続可能な航空燃料の経済的実行可能性を大幅に向上させる可能性を持つ」とSynhelionはコメントしている。