研究者は3Dプリントを使って太陽光と空気を液体燃料に変換する

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-1-2 11:44 に最後に編集されました

2023年1月2日、アンタークティックベアは、スイス連邦工科大学（ETH）が同大学のエンジニアチームが太陽光発電技術で大きな進歩を遂げたと発表したことを知りました。研究チームは太陽光と空気を利用して液体燃料を生産できる独自の技術を開発した。

△このレンダリングは、層状チャネルアーキテクチャを備えた 3D プリントされた二酸化セリウム構造を示しています。集中した太陽放射が傾斜構造に当たり、太陽光の下でCO2をCO2と酸素の別々の流れに分解します。この技術は、2019年にチューリッヒ中心部のETHマシンラボの屋上で初めて実際の環境で実証されました。研究者らは、これらの合成太陽燃料は、燃焼時に生産時に空気中から捕捉されるのと同量の二酸化炭素を放出するため、カーボンニュートラルであると強調している。

この技術の核心は、集中した太陽光の下に設置され、最高1,500度の温度に達することができる特殊な太陽炉にあります。この反応器は、空気中から捕捉した水と二酸化炭素を分解する熱化学サイクルを実行するために使用される酸化セリウムで作られた多孔質セラミック構造で構築されています。得られた合成ガスは水素と一酸化炭素の混合物であり、さらに航空動力用の灯油などの液体炭化水素燃料に変換することができます。

△階層的チャネルトポロジーを有する多孔質セラミック構造の3次元デジタル画像（右上）と写真（側面図と上面図）。太陽熱反応炉（右下）は、集中した太陽放射に直接さらされるこれらの階層構造の配列で構成されています。
ETHチューリッヒが革新的な3Dプリント方法を開発

これまで使用されていた等方性多孔性構造には、太陽放射が原子炉に入ると急速に減衰し、燃料生産を最大化するのに十分な内部温度が得られないという欠点がありました。しかし、複合材料の教授であるアンドレ・スタダート氏と再生可能エネルギーベクトルの教授であるアルド・スタインフェルド氏のグループのメンバーを含む ETH の研究者たちは、革新的な 3D 印刷方法を開発しました。この方法により、複雑な細孔形状を持つセラミック構造を生成でき、反応器内の太陽放射の透過効率が効果的に向上します。この研究はスイス連邦エネルギー省の資金提供を受けた。

新しく設計された階層的な順序構造は、優れたパフォーマンスを発揮します。チャネルと細孔は太陽光が当たる側で開いており、リアクターの後方に向かって細くなっており、構造全体にわたって集中した太陽放射を均一に吸収することができます。この設計により、多孔質構造全体が理想的な反応温度である 1500°C に達することができ、燃料収量が大幅に向上します。セラミック構造は、低粘度で高濃度のセリア粒子を含む特別に開発された新しいインクを使用して、押し出しベースの 3D 印刷技術で製造され、酸化還元活性物質の含有量を最大化しました。

さらなる研究は、チームが発表した論文「3Dプリントされた階層的チャネルセリア構造を用いた太陽光駆動CO2酸化還元分解」（ポータル）でご覧いただけます。
研究者らは、放射熱伝達と熱化学反応の間の複雑な相互作用についても詳しく調べた。彼らは、太陽1,000個分に相当する集中した太陽光放射の下で、新しい層状構造が均一な構造の2倍の燃料を生産できることを実証した。

3D プリントセラミック構造技術は特許を取得しており、Synhelion によってライセンス供与されています。アルド・スタインフェルド教授は次のように語った。「この技術は、太陽炉のエネルギー効率を大幅に改善し、持続可能な航空燃料の経済性を高める可能性を秘めています。」

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