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Produzione di combustibili liquidi dalla luce solare e dall’aria resa possibile dalla stampa 3D

Secondo una ricerca dell'ETH di Zurigo, ciò avviene creando speciali strutture ceramiche per un reattore solare

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Secondo l’ETH di Zurigo, negli ultimi anni gli ingegneri dell’università hanno sviluppato la tecnologia per produrre combustibili liquidi dalla luce solare e dall’aria. Nel 2019 hanno dimostrato per la prima volta l’intera catena del processo termochimico in condizioni reali, nel centro di Zurigo, sul tetto del Laboratorio macchine dell’ETH. Questi combustibili solari sintetici sono a zero emissioni di carbonio perché durante la combustione rilasciano solo la quantità di CO2 estratta dall’aria per la loro produzione. Due spin-off dell’ETH, Climeworks e Synhelion, stanno ulteriormente sviluppando e commercializzando le tecnologie.

Al centro del processo di produzione c’è un reattore solare che viene esposto alla luce solare concentrata fornita da uno specchio parabolico e raggiunge temperature fino a 1500 gradi Celsius. All’interno di questo reattore, che contiene una struttura ceramica porosa fatta di ossido di cerio, avviene un ciclo termochimico che separa l’acqua e la CO2 catturate dall’aria. Il prodotto è syngas, una miscela di idrogeno e monossido di carbonio, che può essere ulteriormente trasformata in idrocarburi liquidi come il cherosene (carburante per aerei) per l’alimentazione dell’aviazione.

Finora sono state applicate strutture con porosità isotropa, ma queste presentano l’inconveniente di attenuare esponenzialmente la radiazione solare incidente nel suo percorso verso il reattore. Ciò si traduce in temperature interne più basse, limitando la resa di carburante del reattore solare.

Produzione di combustibili liquidi dalla luce solare e dall'aria resa possibile dalla stampa 3D di strutture ceramiche per un reattore solare - secondo l'ETH di Zurigo.
Rappresentazione digitale 3D (in alto a destra) e fotografie (vista laterale e
dall’alto) della struttura ceramica porosa con topologia canalizzata
gerarchicamente. Il reattore solare (in basso a destra) contiene una serie
di queste strutture graduate, che sono direttamente esposte alla radiazione
solare concentrata. (Fotografie: ETH Zurigo).

Ora, i ricercatori del gruppo di André Studart, professore di materiali complessi dell’ETH, e del gruppo di Aldo Steinfeld, professore di vettori di energia rinnovabile dell’ETH, hanno sviluppato una nuova metodologia di stampa 3D che consente loro di produrre strutture ceramiche porose con geometrie complesse dei pori per trasportare la radiazione solare in modo più efficiente all’interno del reattore. Il progetto di ricerca è finanziato dall’Ufficio federale dell’energia.

Particolarmente efficienti si sono rivelate strutture ordinate gerarchicamente con canali e pori aperti sulla superficie esposta alla luce solare e che si restringono verso la parte posteriore del reattore. Questa disposizione consente l’assorbimento della radiazione solare incidente concentrata sull’intero volume. Ciò, a sua volta, garantisce che l’intera struttura porosa raggiunga la temperatura di reazione di 1500°C, aumentando la generazione di carburante. Queste strutture ceramiche sono state prodotte utilizzando un processo di stampa 3D basato su estrusione e un nuovo tipo di inchiostro con caratteristiche ottimali sviluppate appositamente per questo scopo, ovvero: bassa viscosità e un’alta concentrazione di particelle di ceria per massimizzare la quantità di materiale attivo redox.

I ricercatori hanno studiato la complessa interazione tra il trasferimento del calore radiante e la reazione termochimica. Sono stati in grado di dimostrare che le loro nuove strutture gerarchiche possono produrre il doppio di carburante rispetto alle strutture uniformi quando sottoposte alla stessa radiazione solare concentrata di intensità equivalente a 1000 soli.

La tecnologia per la stampa 3D delle strutture ceramiche è già brevettata e Synhelion ha acquisito la licenza dall’ETH di Zurigo. “Questa tecnologia ha il potenziale per aumentare l’efficienza energetica del reattore solare e quindi migliorare significativamente la fattibilità economica dei carburanti sostenibili per l’aviazione”, ha affermato Steinfeld.

Maggiori informazioni possono essere trovate nel documento di ricerca qui.

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