Notícia

Núcleo de reator impresso em 3D torna a produção de combustível solar mais eficiente

Fonte

ETH Zurique | Instituto Federal de Tecnologia de Zurique

Data

segunda-feira, 30 outubro 2023 18:40

Áreas

Carbono. Energia. Engenharia de Energia. Inovação. Materiais. ODS. Sustentabilidade. Tecnologias.

Nos últimos anos, engenheiros do  Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH Zurique), na Suíça, desenvolveram uma tecnologia para produzir combustíveis líquidos a partir da luz solar e do ar. Em 2019, eles demonstraram pela primeira vez toda a cadeia do processo termoquímico em condições reais, no centro de Zurique, no telhado do ETH Machine Laboratory. Estes combustíveis solares sintéticos são neutros em carbono porque liberam durante a sua combustão apenas a quantidade de CO₂ que foi retirada do ar para a sua produção. Duas startups iniciadas no ETH Zurique, a Climeworks e a Synhelion, estão desenvolvendo e comercializando as tecnologias.

No centro do processo de produção está um reator solar que é exposto à luz solar concentrada fornecida por um espelho parabólico e atinge temperaturas de até 1.500 graus Celsius. Dentro desse reator, que contém uma estrutura cerâmica porosa feita de óxido de cério, ocorre um ciclo termoquímico para a separação da água e do CO₂ capturados anteriormente do ar. O produto é o gás de síntese: uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono, que pode ser posteriormente processada em combustíveis líquidos de hidrocarbonetos, como o querosene combustível de aviação.

Até agora, foram aplicadas estruturas com porosidade isotrópica, mas estas têm a desvantagem de atenuarem exponencialmente a radiação solar incidente à medida que esta viaja para dentro do reator. Isto resulta em temperaturas internas mais baixas, limitando o rendimento de combustível do reator solar.

Mas, recentemente, pesquisadores do grupo de pesquisa do Dr. André Studart, professor de Materiais Complexos, e do grupo do Dr. Aldo Steinfeld, professor de Portadores de Energia Renovável, ambos do ETH Zurique, desenvolveram uma nova metodologia de impressão 3D que lhes permite fabricar estruturas cerâmicas porosas com geometrias de poros complexas para transportar a radiação solar de forma mais eficiente para o interior do reator. O projeto de pesquisa é financiado pelo Escritório Federal Suíço de Energia.

Projetos ordenados hierarquicamente com canais e poros que são abertos na superfície exposta à luz solar e se tornam mais estreitos na parte traseira do reator provaram ser particularmente eficientes. Este arranjo permite absorver a radiação solar concentrada incidente em todo o volume. Isto, por sua vez, garante que toda a estrutura porosa atinja a temperatura de reação de 1.500°C, aumentando a geração de combustível. Estas estruturas cerâmicas foram fabricadas através de um processo de impressão 3D baseado em extrusão e um novo tipo de tinta com características otimizadas desenvolvidas especificamente para este fim: baixa viscosidade e elevada concentração de partículas de cério para maximizar a quantidade de material redox ativo.

Teste inicial bem-sucedido

Os pesquisadores investigaram a complexa interação entre a transferência de calor radiante e a reação termoquímica. Eles conseguiram mostrar que suas novas estruturas hierárquicas podem produzir duas vezes mais combustível que as estruturas uniformes quando submetidas à mesma radiação solar concentrada.

A tecnologia para impressão 3D das estruturas cerâmicas já está patenteada e a Synhelion adquiriu a licença do ETH Zurique. “Esta tecnologia tem o potencial de aumentar a eficiência energética do reator solar e, assim, melhorar significativamente a viabilidade econômica dos combustíveis de aviação sustentáveis”, concluiu o Dr. Aldo Steinfeld.

Os resultados foram publicados na revista científica Advanced Materials Interfaces.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa no ETH Zurique (em inglês).

Fonte: Peter Rüegg, ETH Zurique. Imagem: representação digital 3D (no canto superior direito) e fotografias (vista lateral e superior) da estrutura cerâmica porosa com topologia canalizada hierarquicamente. O reator solar (no canto inferior direito) contém uma série dessas estruturas graduadas, que são diretamente expostas à radiação solar concentrada. Fonte: ETH Zurique.