近年來，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的工程師們研發(fā)了一項利用太陽能和空氣生產(chǎn)液體燃料的技術(shù)。為此，他們開發(fā)了一個太陽能反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆暴露在拋物面鏡投射的集中陽光下，溫度高達攝氏1500度。該反應(yīng)器包含由氧化鈰制成的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，在該反應(yīng)器內(nèi)會發(fā)生熱化學(xué)循環(huán)，以分解之前從空氣中捕獲的水和CO2。其結(jié)果是合成氣，一種氫氣和一氧化碳的混合物，可以進一步加工成液態(tài)烴燃料，例如煤油（噴氣燃料），為航空提供動力。

該示意圖展示了具有分層通道架構(gòu)的3D打印二氧化鈰結(jié)構(gòu)。集中的太陽輻射入射到分級結(jié)構(gòu)上，并驅(qū)動二氧化碳在陽光下分解成單獨的二氧化碳流和氧氣流。

到目前為止，已經(jīng)應(yīng)用了具有各向同性孔隙率的結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)具有缺點，即當(dāng)入射太陽輻射進入反應(yīng)器時，它們會呈指數(shù)衰減。這導(dǎo)致內(nèi)部溫度較低，限制了太陽能反應(yīng)堆的燃料產(chǎn)量。

現(xiàn)在，來自ETH復(fù)雜材料教授André Studart團隊和ETH可再生能源載體教授Aldo Steinfeld團隊的研究人員開發(fā)了一種新穎的3D打印方法，使他們能夠制造具有復(fù)雜孔隙幾何形狀的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，更有效地將太陽輻射傳輸?shù)椒磻?yīng)堆內(nèi)部。該研究項目由瑞士聯(lián)邦能源辦公室資助。

具有分層通道拓撲結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)的3D數(shù)字表示（右上）和照片（側(cè)視圖和俯視圖）。太陽能反應(yīng)堆（右下）包含一系列這些分級結(jié)構(gòu)，它們直接暴露在集中的太陽輻射下。

事實證明，分層有序的設(shè)計特別有效，其通道和孔隙在暴露于陽光的表面處開放，并向反應(yīng)器后部變窄。這種布置能夠吸收整個體積上的入射集中太陽輻射。這反過來又確保整個多孔結(jié)構(gòu)達到攝氏1500度的反應(yīng)溫度，從而促進燃料的產(chǎn)生。這些陶瓷結(jié)構(gòu)是使用基于擠出的3D打印工藝和專門為此目的開發(fā)的具有最佳特性的新型墨水制造的，即：低粘度和高濃度的二氧化鈰顆粒，以最大限度地提高氧化還原活性材料的量。

研究人員研究了輻射熱傳遞和熱化學(xué)反應(yīng)之間復(fù)雜的相互作用。初步實驗測試表明，當(dāng)受到強度相當(dāng)于1000個太陽的相同集中太陽輻射時，這些新型3D打印反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生兩倍于均勻結(jié)構(gòu)的太陽能燃料。

3D打印陶瓷結(jié)構(gòu)的技術(shù)已獲得專利，Aldo Steinfeld在一份官方新聞稿中表示：“這項技術(shù)有潛力提高太陽能反應(yīng)堆的能源效率，從而顯著提高可持續(xù)航空燃料的經(jīng)濟可行性?！?br />
現(xiàn)在，通過衍生公司Climeworks和Synhelion，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團隊正在進一步開發(fā)這些技術(shù)并將其商業(yè)化。

近年來，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的工程師們研發(fā)了一項利用太陽能和空氣生產(chǎn)液體燃料的技術(shù)。為此，他們開發(fā)了一個太陽能反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆暴露在拋物面鏡投射的集中陽光下，溫度高達攝氏1500度。該反應(yīng)器包含由氧化鈰制成的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，在該反應(yīng)器內(nèi)會發(fā)生熱化學(xué)循環(huán)，以分解之前從空氣中捕獲的水和CO2。其結(jié)果是合成氣，一種氫氣和一氧化碳的混合物，可以進一步加工成液態(tài)烴燃料，例如煤油（噴氣燃料），為航空提供動力。

該示意圖展示了具有分層通道架構(gòu)的3D打印二氧化鈰結(jié)構(gòu)。集中的太陽輻射入射到分級結(jié)構(gòu)上，并驅(qū)動二氧化碳在陽光下分解成單獨的二氧化碳流和氧氣流。

到目前為止，已經(jīng)應(yīng)用了具有各向同性孔隙率的結(jié)構(gòu)，但這些結(jié)構(gòu)具有缺點，即當(dāng)入射太陽輻射進入反應(yīng)器時，它們會呈指數(shù)衰減。這導(dǎo)致內(nèi)部溫度較低，限制了太陽能反應(yīng)堆的燃料產(chǎn)量。

現(xiàn)在，來自ETH復(fù)雜材料教授André Studart團隊和ETH可再生能源載體教授Aldo Steinfeld團隊的研究人員開發(fā)了一種新穎的3D打印方法，使他們能夠制造具有復(fù)雜孔隙幾何形狀的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，更有效地將太陽輻射傳輸?shù)椒磻?yīng)堆內(nèi)部。該研究項目由瑞士聯(lián)邦能源辦公室資助。

具有分層通道拓撲結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷結(jié)構(gòu)的3D數(shù)字表示（右上）和照片（側(cè)視圖和俯視圖）。太陽能反應(yīng)堆（右下）包含一系列這些分級結(jié)構(gòu)，它們直接暴露在集中的太陽輻射下。

事實證明，分層有序的設(shè)計特別有效，其通道和孔隙在暴露于陽光的表面處開放，并向反應(yīng)器后部變窄。這種布置能夠吸收整個體積上的入射集中太陽輻射。這反過來又確保整個多孔結(jié)構(gòu)達到攝氏1500度的反應(yīng)溫度，從而促進燃料的產(chǎn)生。這些陶瓷結(jié)構(gòu)是使用基于擠出的3D打印工藝和專門為此目的開發(fā)的具有最佳特性的新型墨水制造的，即：低粘度和高濃度的二氧化鈰顆粒，以最大限度地提高氧化還原活性材料的量。

研究人員研究了輻射熱傳遞和熱化學(xué)反應(yīng)之間復(fù)雜的相互作用。初步實驗測試表明，當(dāng)受到強度相當(dāng)于1000個太陽的相同集中太陽輻射時，這些新型3D打印反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生兩倍于均勻結(jié)構(gòu)的太陽能燃料。

3D打印陶瓷結(jié)構(gòu)的技術(shù)已獲得專利，Aldo Steinfeld在一份官方新聞稿中表示：“這項技術(shù)有潛力提高太陽能反應(yīng)堆的能源效率，從而顯著提高可持續(xù)航空燃料的經(jīng)濟可行性?！?br />
現(xiàn)在，通過衍生公司Climeworks和Synhelion，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團隊正在進一步開發(fā)這些技術(shù)并將其商業(yè)化。