Le cœur du réacteur imprimé en 3D rend la production de combustible solaire plus efficace

Ces dernières années, les ingénieurs de l’ETH Zurich ont développé une technologie permettant de produire des combustibles liquides à partir de la lumière du soleil et de l’air. En 2019, ils ont présenté pour la première fois l’ensemble de la chaîne des processus thermochimiques en conditions réelles, au cœur de Zurich, sur le toit du laboratoire de machines de l’ETH. Ces carburants solaires synthétiques sont neutres en carbone car ils ne libèrent que la quantité de CO₂ lors de leur combustion comme celui extrait de l’air pour leur production. Deux spin-offs de l’ETH, Climeworks et Synhelion, développent et commercialisent ces technologies.

Au cœur du processus de production se trouve un réacteur solaire exposé à la lumière solaire concentrée délivrée par un miroir parabolique et atteignant des températures allant jusqu’à 1 500 °C. À l’intérieur de ce réacteur, qui contient une structure céramique poreuse constituée d’oxyde de cérium, se déroule un cycle thermochimique de séparation de l’eau et du CO.₂ capturé précédemment depuis les airs. Le produit est du gaz de synthèse : un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone, qui peut être ensuite transformé en carburants à base d’hydrocarbures liquides tels que le kérosène (carburant pour avion) ​​pour alimenter l’aviation.

Jusqu’à présent, des structures à porosité isotrope ont été appliquées, mais celles-ci présentent l’inconvénient d’atténuer de manière exponentielle le rayonnement solaire incident lors de son passage dans le réacteur. Cela entraîne des températures internes plus basses, limitant le rendement en combustible du réacteur solaire.

Aujourd’hui, des chercheurs du groupe d’André Studart, professeur à l’ETH des matériaux complexes, et du groupe d’Aldo Steinfeld, professeur à l’ETH des supports d’énergie renouvelables, ont développé une nouvelle méthodologie d’impression 3D qui leur permet de fabriquer des structures céramiques poreuses avec des géométries de pores complexes pour transporter plus efficacement le rayonnement solaire à l’intérieur du réacteur. La recherche est publiée dans la revue Interfaces de matériaux avancés.

Les conceptions hiérarchiques avec des canaux et des pores ouverts à la surface exposée à la lumière du soleil et devenant plus étroits vers l’arrière du réacteur se sont révélées particulièrement efficaces. Cette disposition permet d’absorber le rayonnement solaire concentré incident sur l’ensemble du volume. Cela garantit à son tour que l’ensemble de la structure poreuse atteint la température de réaction de 1 500 °C, augmentant ainsi la production de carburant.

Ces structures céramiques ont été fabriquées à l’aide d’un procédé d’impression 3D basé sur l’extrusion et d’un nouveau type d’encre aux caractéristiques optimales développées spécifiquement à cet effet, à savoir : une faible viscosité et une forte concentration de particules d’oxyde de cérium pour maximiser la quantité de matière active rédox.

Premiers tests réussis

Les chercheurs ont étudié l’interaction complexe entre le transfert de chaleur rayonnante et la réaction thermochimique. Ils ont pu montrer que leurs nouvelles structures hiérarchiques peuvent produire deux fois plus de carburant que les structures uniformes lorsqu’elles sont soumises au même rayonnement solaire concentré d’intensité équivalente à 1 000 soleils.

La technologie d’impression 3D des structures céramiques est déjà brevetée et Synhelion a acquis la licence de l’ETH Zurich. “Cette technologie a le potentiel d’augmenter l’efficacité énergétique du réacteur solaire et ainsi d’améliorer considérablement la viabilité économique des carburants d’aviation durables”, explique Steinfeld.