روش جدیدی برای تولید سوخت مایع از نور خورشید

مهندسان «مؤسسه فناوری فدرال زوریخ»(ETH Zurich) در سال‌های اخیر، فناوری تولید سوخت مایع از نور خورشید و هوا را توسعه داده‌اند. در سال ۲۰۱۹، آنها کل زنجیره فرآیند ترموشیمیایی را در شرایط واقعی برای اولین بار روی سقف آزمایشگاه مؤسسه فناوری فدرال زوریخ نشان دادند. این سوخت‌های خورشیدی مصنوعی، دارای انتشار کربن خنثی هستند زیرا در طول احتراق فقط همان مقدار دی‌اکسید کربن را آزاد می‌کنند که از هوا برای تولید آنها خارج می‌شود. دو شرکت زیرمجموعه مؤسسه فناوری فدرال زوریخ موسوم به «کلایموورکس»(Climeworks) و «سینهلیون»(Synhelion) در حال توسعه و تجاری‌سازی بیشتر فناوری‌ها هستند.

در قلب فرآیند تولید، یک رآکتور خورشیدی قرار دارد که در معرض نور شدید خورشید است. نور از طریق یک آینه به رآکتور منتقل می‌شود و دمای آن به ۱۵۰۰ درجه سلسیوس می‌رسد. در این رآکتور که یک ساختار سرامیکی متخلخل از اکسید سریم دارد، یک چرخه ترموشیمیایی برای شکافت آب و دی‌اکسید کربنی که قبلا از هوا گرفته شده است، انجام می‌شود. این محصول مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن موسوم به «گاز سنتز» است که می‌توان آن را بیشتر به سوخت‌های هیدروکربنی مایع مانند نفت سفید(سوخت جت) برای تامین انرژی هوانوردی تبدیل کرد.

ساختارهایی متخلخل تاکنون استفاده شده‌اند اما با مشکلاتی همراه هستند که تابش خورشیدی برخوردی را به طور تصاعدی هنگام حرکت به درون رآکتور کاهش می‌دهند. این منجر به کاهش دمای داخلی می‌شود و بازدهی سوخت رآکتور خورشیدی را محدود می‌کند.

اکنون یک گروه پژوهشی شامل «آندره استودارت»(André Studart) و «آلدو استاینفلد»(Aldo Steinfeld) اساتید مؤسسه فناوری فدرال زوریخ، یک روش جدید چاپ سه‌بعدی ابداع کرده‌اند که آنها را قادر می‌سازد تا ساختارهای سرامیکی متخلخل را با هندسه منافذ پیچیده بسازند. این کار، تابش خورشیدی را با کارآیی بیشتری به درون رآکتور منتقل می‌کند.

این موضوع ثابت شده است که طرح‌های مرتب‌شده به صورت سلسله‌مراتبی با کانال‌ها و منافذ روی سطح که در معرض نور خورشید هستند و در عقب رآکتور باریک‌تر می‌شوند، کارآیی ویژه‌ای دارند. این ترتیب‌بندی، جذب تابش خورشیدی متمرکزشده را در کل حجم ممکن می‌سازد و به نوبه خود تضمین می‌کند که کل ساختار متخلخل به دمای ۱۵۰۰ درجه سلسیوس می‌رسد و تولید سوخت را افزایش می‌دهد.

این سازه‌های سرامیکی با استفاده از فرآیند چاپ سه‌بعدی مبتنی بر اکستروژن و نوع جدیدی از جوهر تولید شدند که ویژگی‌های بهبودیافته‌ای دارد و به طور ویژه برای این منظور توسعه یافته است.

پژوهشگران تعامل پیچیده بین انتقال گرمای تابشی و واکنش ترموشیمیایی را بررسی کردند. آنها توانستند نشان دهند که ساختار سلسله‌ مراتبی جدید آنها می‌تواند دو برابر بیشتر از ساختارهای یکنواخت که در معرض همان تابش خورشیدی متمرکز با شدتی معادل ۱۰۰۰ خورشید قرار می‌گیرند، سوخت تولید کند.

فناوری چاپ سه‌بعدی سازه‌های سرامیکی قبلا به ثبت رسیده و شرکت سینهلیون مجوز را از مؤسسه فناوری فدرال زوریخ دریافت کرده است. استاینفلد گفت: این فناوری، پتانسیل افزایش کارآیی انرژی رآکتور خورشیدی و بهبود قابل‌توجه اقتصادی را برای سوخت‌های هوایی پایدار دارد.

این پژوهش در مجله« Advanced Materials Interfaces» به چاپ رسید.