近年來(lái)，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的工程師們研發(fā)了一項(xiàng)利用太陽(yáng)能和空氣生產(chǎn)液體燃料的技術(shù)。為此，他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)太陽(yáng)能反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆暴露在拋物面鏡投射的集中陽(yáng)光下，溫度高達(dá)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(huì)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(jìn)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(dòng)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(yáng)輻射入射到分級(jí)結(jié)構(gòu)上，并驅(qū)動(dòng)二氧化碳在陽(yáng)光下分解成單獨(dú)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(diǎn)，即當(dāng)入射太陽(yáng)輻射進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，它們會(huì)呈指數(shù)衰減。這導(dǎo)致內(nèi)部溫度較低，限制了太陽(yáng)能反應(yīng)堆的燃料產(chǎn)量。

現(xiàn)在，來(lái)自ETH復(fù)雜材料教授André Studart團(tuán)隊(duì)和ETH可再生能源載體教授Aldo Steinfeld團(tuán)隊(duì)的研究人員開(kāi)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(yáng)輻射傳輸?shù)椒磻?yīng)堆內(nèi)部。該研究項(xiàng)目由瑞士聯(lián)邦能源辦公室資助。

具有分層通道拓?fù)浣Y(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(yáng)能反應(yīng)堆（右下）包含一系列這些分級(jí)結(jié)構(gòu)，它們直接暴露在集中的太陽(yáng)輻射下。

事實(shí)證明，分層有序的設(shè)計(jì)特別有效，其通道和孔隙在暴露于陽(yáng)光的表面處開(kāi)放，并向反應(yīng)器后部變窄。這種布置能夠吸收整個(gè)體積上的入射集中太陽(yáng)輻射。這反過(guò)來(lái)又確保整個(gè)多孔結(jié)構(gòu)達(dá)到攝氏1500度的反應(yīng)溫度，從而促進(jìn)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(kāi)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(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，當(dāng)受到強(qiáng)度相當(dāng)于1000個(gè)太陽(yáng)的相同集中太陽(yáng)輻射時(shí)，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(yáng)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(xiàng)技術(shù)有潛力提高太陽(yáng)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(jì)可行性。”

現(xiàn)在，通過(guò)衍生公司Climeworks和Synhelion，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這些技術(shù)并將其商業(yè)化。

近年來(lái)，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的工程師們研發(fā)了一項(xiàng)利用太陽(yáng)能和空氣生產(chǎn)液體燃料的技術(shù)。為此，他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)太陽(yáng)能反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆暴露在拋物面鏡投射的集中陽(yáng)光下，溫度高達(dá)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(huì)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(jìn)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(dòng)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(yáng)輻射入射到分級(jí)結(jié)構(gòu)上，并驅(qū)動(dòng)二氧化碳在陽(yáng)光下分解成單獨(dú)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(diǎn)，即當(dāng)入射太陽(yáng)輻射進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，它們會(huì)呈指數(shù)衰減。這導(dǎo)致內(nèi)部溫度較低，限制了太陽(yáng)能反應(yīng)堆的燃料產(chǎn)量。

現(xiàn)在，來(lái)自ETH復(fù)雜材料教授André Studart團(tuán)隊(duì)和ETH可再生能源載體教授Aldo Steinfeld團(tuán)隊(duì)的研究人員開(kāi)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(yáng)輻射傳輸?shù)椒磻?yīng)堆內(nèi)部。該研究項(xiàng)目由瑞士聯(lián)邦能源辦公室資助。

具有分層通道拓?fù)浣Y(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(yáng)能反應(yīng)堆（右下）包含一系列這些分級(jí)結(jié)構(gòu)，它們直接暴露在集中的太陽(yáng)輻射下。

事實(shí)證明，分層有序的設(shè)計(jì)特別有效，其通道和孔隙在暴露于陽(yáng)光的表面處開(kāi)放，并向反應(yīng)器后部變窄。這種布置能夠吸收整個(gè)體積上的入射集中太陽(yáng)輻射。這反過(guò)來(lái)又確保整個(gè)多孔結(jié)構(gòu)達(dá)到攝氏1500度的反應(yīng)溫度，從而促進(jìn)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(kāi)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(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，當(dāng)受到強(qiáng)度相當(dāng)于1000個(gè)太陽(yáng)的相同集中太陽(yáng)輻射時(shí)，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(yáng)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(xiàng)技術(shù)有潛力提高太陽(yáng)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(jì)可行性。”

現(xiàn)在，通過(guò)衍生公司Climeworks和Synhelion，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這些技術(shù)并將其商業(yè)化。