近年來，蘇黎世聯(lián)邦理工學院的工程師們研發(fā)了一項利用太陽能和空氣生產液體燃料的技術。為此，他們開發(fā)了一個太陽能反應堆，該反應堆暴露在拋物面鏡投射的集中陽光下，溫度高達攝氏1500度。該反應器包含由氧化鈰制成的多孔陶瓷結構，在該反應器內會發(fā)生熱化學循環(huán)，以分解之前從空氣中捕獲的水和CO2。其結果是合成氣，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的3D打印二氧化鈰結構。集中的太陽輻射入射到分級結構上，并驅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，已經應用了具有各向同性孔隙率的結構，但這些結構具有缺點，即當入射太陽輻射進入反應器時，它們會呈指數衰減。這導致內部溫度較低，限制了太陽能反應堆的燃料產量。

現在，來自ETH復雜材料教授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雜孔隙幾何形狀的多孔陶瓷結構，更有效地將太陽輻射傳輸到反應堆內部。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構的多孔陶瓷結構的3D數字表示（右上）和照片（側視圖和俯視圖）。太陽能反應堆（右下）包含一系列這些分級結構，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構達到攝氏1500度的反應溫度，從而促進燃料的產生。這些陶瓷結構是使用基于擠出的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反應之間復雜的相互作用。初步實驗測試表明，當受到強度相當于1000個太陽的相同集中太陽輻射時，這些新型3D打印反應堆結構可以產生兩倍于均勻結構的太陽能燃料。

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

近年來，蘇黎世聯(lián)邦理工學院的工程師們研發(fā)了一項利用太陽能和空氣生產液體燃料的技術。為此，他們開發(fā)了一個太陽能反應堆，該反應堆暴露在拋物面鏡投射的集中陽光下，溫度高達攝氏1500度。該反應器包含由氧化鈰制成的多孔陶瓷結構，在該反應器內會發(fā)生熱化學循環(huán)，以分解之前從空氣中捕獲的水和CO2。其結果是合成氣，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的3D打印二氧化鈰結構。集中的太陽輻射入射到分級結構上，并驅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，已經應用了具有各向同性孔隙率的結構，但這些結構具有缺點，即當入射太陽輻射進入反應器時，它們會呈指數衰減。這導致內部溫度較低，限制了太陽能反應堆的燃料產量。

現在，來自ETH復雜材料教授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雜孔隙幾何形狀的多孔陶瓷結構，更有效地將太陽輻射傳輸到反應堆內部。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構的多孔陶瓷結構的3D數字表示（右上）和照片（側視圖和俯視圖）。太陽能反應堆（右下）包含一系列這些分級結構，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構達到攝氏1500度的反應溫度，從而促進燃料的產生。這些陶瓷結構是使用基于擠出的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反應之間復雜的相互作用。初步實驗測試表明，當受到強度相當于1000個太陽的相同集中太陽輻射時，這些新型3D打印反應堆結構可以產生兩倍于均勻結構的太陽能燃料。

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