Utilizando una nueva técnica de impresión 3D, investigadores de ETH Zurich han desarrollado estructuras cerámicas especiales para un reactor solar. Las pruebas experimentales iniciales muestran que estas estructuras pueden aumentar el rendimiento de la producción de combustibles solares.
La obra de arte ilustra una estructura de ceria impresa en 3D con una arquitectura canalizada jerárquicamente. La radiación solar concentrada incide sobre la estructura nivelada e impulsa la división solar del CO2 en flujos separados de CO y O2. Crédito de la imagen: Interfaces de materiales avanzados, Vol 10, Nr. 30, 2023. https://doi.org/10.1002/admi.202300452
En los últimos años, los ingenieros de ETH Zurich han desarrollado la tecnología para producir combustibles líquidos a partir de la luz solar y el aire. En 2019 demostraron por primera vez toda la cadena del proceso termoquímico en condiciones reales, en el centro de Zúrich, en el tejado del Laboratorio de Máquinas ETH.
Estos combustibles solares sintéticos son neutros en carbono porque liberan solo la cantidad de CO2 durante su combustión como se extrae del aire para su producción. Dos empresas derivadas de ETH, Climeworks y Synhelion, están desarrollando y comercializando aún más las tecnologías.
En el corazón del proceso de producción se encuentra un reactor solar expuesto a la luz solar concentrada emitida por un espejo parabólico y que alcanza temperaturas de hasta 1.500 grados centígrados.
En el interior de este reactor, que contiene una estructura cerámica porosa hecha de óxido de cerio, tiene lugar un ciclo termoquímico para descomponer el agua y el CO.2 capturado previamente desde el aire. El producto es gas de síntesis: una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono, que puede procesarse posteriormente en combustibles de hidrocarburos líquidos como el queroseno (combustible para aviones) para propulsar la aviación.
Hasta ahora se han aplicado estructuras con porosidad isotrópica, pero éstas tienen el inconveniente de atenuar exponencialmente la radiación solar incidente a medida que viaja hacia el interior del reactor. Esto da como resultado temperaturas internas más bajas, lo que limita el rendimiento de combustible del reactor solar.
Ahora, investigadores del grupo de André Studart, profesor de Materiales Complejos de la ETH, y del grupo de Aldo Steinfeld, profesor de Portadores de Energías Renovables de la ETH, han desarrollado una novedosa metodología de impresión 3D que les permite fabricar estructuras cerámicas porosas con geometrías de poros complejas para transportar la radiación solar de manera más eficiente al interior del reactor.
El proyecto de investigación está financiado por la Oficina Federal Suiza de Energía.
Particularmente eficientes han demostrado ser los diseños ordenados jerárquicamente con canales y poros abiertos en la superficie expuesta a la luz solar y que se estrechan hacia la parte trasera del reactor. Esta disposición permite absorber la radiación solar concentrada incidente en todo el volumen.
Esto, a su vez, garantiza que toda la estructura porosa alcance la temperatura de reacción de 1500°C, impulsando la generación de combustible.
Estas estructuras cerámicas se fabricaron mediante un proceso de impresión 3D basado en extrusión y un nuevo tipo de tinta con características óptimas desarrollada específicamente para este propósito, a saber: baja viscosidad y una alta concentración de partículas de ceria para maximizar la cantidad de material activo redox.
Representación digital 3D (arriba a la derecha) y fotografías (vista lateral y superior) de la estructura cerámica porosa con topología jerárquicamente canalizada. El reactor solar (abajo a la derecha) contiene una serie de estas estructuras graduadas, que están directamente expuestas a la radiación solar concentrada. Crédito de la imagen: ETH Zurich
Prueba inicial exitosa
Los investigadores investigaron la compleja interacción entre la transferencia de calor radiante y la reacción termoquímica. Demostraron que sus nuevas estructuras jerárquicas pueden producir el doble de combustible que las estructuras uniformes cuando se las somete a la misma radiación solar concentrada de intensidad equivalente a 1000 soles.
La tecnología para imprimir estructuras cerámicas en 3D ya está patentada y Synhelion ha adquirido la licencia de ETH Zurich. «Esta tecnología tiene el potencial de aumentar la eficiencia energética del reactor solar y, por tanto, mejorar significativamente la viabilidad económica de los combustibles de aviación sostenibles», afirma Steinfeld.
Fuente: ETH Zúrich
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