La impresión 3D hace más eficiente la producción de combustibles con energía solar

En los últimos años, los ingenieros de ETH Zurich han desarrollado la tecnología para producir combustibles líquidos a partir de la luz solar y el aire. En 2019 demostraron por primera vez toda la cadena del proceso termoquímico en condiciones reales, en el centro de Zúrich, en el tejado del Laboratorio de Máquinas ETH.

Estos combustibles 'solares' sintéticos son neutros en carbono porque durante su combustión liberan sólo la misma cantidad de CO ~2~ que se extrae del aire para su producción. Dos empresas derivadas de ETH, Climeworks y Synhelion, están desarrollando y comercializando aún más las tecnologías.

En el corazón del proceso de producción se encuentra un reactor solar que está expuesto a la luz solar concentrada emitida por un espejo parabólico y alcanza temperaturas de hasta 1.500 grados centígrados. En el interior de este reactor, que contiene una estructura cerámica porosa hecha de óxido de cerio, se produce un ciclo termoquímico para descomponer el agua y el CO ~2~ captados previamente del aire. El producto es gas de síntesis: una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono, que puede procesarse posteriormente en combustibles de hidrocarburos líquidos como el queroseno (combustible para aviones) para propulsar la aviación.

Hasta ahora se han aplicado estructuras con porosidad isotrópica, pero estas tienen el inconveniente de que atenúan exponencialmente la radiación solar incidente a medida que viaja hacia el interior del reactor. Esto da como resultado temperaturas internas más bajas, lo que limita el rendimiento de combustible del reactor solar.

La impresión en 3D

Ahora, investigadores del grupo de André Studart, profesor de Materiales Complejos de la ETH, y del grupo de Aldo Steinfeld, profesor de Portadores de Energías Renovables de la ETH, han desarrollado una novedosa metodología de impresión 3D que les permite fabricar estructuras cerámicas porosas con geometrías de poros complejas para transportar la radiación solar de manera más eficiente al interior del reactor. El proyecto de investigación está financiado por la Oficina Federal Suiza de Energía.

Particularmente eficientes han demostrado ser los diseños ordenados jerárquicamente con canales y poros abiertos en la superficie expuesta a la luz solar y que se estrechan hacia la parte trasera del reactor. Esta disposición permite absorber la radiación solar concentrada incidente en todo el volumen. Esto, a su vez, garantiza que toda la estructura porosa alcance la temperatura de reacción de 1500°C, impulsando la generación de combustible.

Estas estructuras cerámicas se fabricaron mediante un proceso de impresión 3D basado en extrusión y un nuevo tipo de tinta con características óptimas desarrollada específicamente para este propósito, a saber: baja viscosidad y una alta concentración de partículas de ceria para maximizar la cantidad de material activo redox.

Prueba inicial exitosa

Los investigadores investigaron la compleja interacción entre la transferencia de calor radiante y la reacción termoquímica. Pudieron demostrar que sus nuevas estructuras jerárquicas pueden producir el doble de combustible que las estructuras uniformes cuando se las somete a la misma radiación solar concentrada de intensidad equivalente a 1000 soles.

La tecnología para imprimir estructuras cerámicas en 3D ya está patentada y Synhelion ha adquirido la licencia de ETH Zurich. "Esta tecnología tiene el potencial de aumentar la eficiencia energética del reactor solar y, por tanto, mejorar significativamente la viabilidad económica de los combustibles de aviación sostenibles", afirma Steinfeld.