Avances hacia la producción sostenible de combustible a partir del CO2 atmosférico y la energía solar: investigadores suizos lograron aumentar significativamente el rendimiento de su sistema solar ya desarrollado mediante un reactor de estructuras cerámicas impresas. Los resultados de las pruebas generan esperanzas de que esto mejorará significativamente la eficiencia económica de la producción de queroseno, etc. sin emisiones de CO₂, dicen los científicos.
Como es sabido, la humanidad moviliza el carbono depositado hace siglos: hasta ahora, combustibles como la gasolina o el queroseno se producían a partir de combustibles fósiles como el petróleo. Cuando se queman, añaden dióxido de carbono a la atmósfera terrestre. Por eso, para combatir el cambio climático, los científicos están trabajando en procesos para producir combustibles que sean al menos climáticamente neutros: durante la combustión sólo debería liberarse la cantidad de CO₂ que se absorbió de la atmósfera durante la producción. Un equipo de investigación del Instituto Federal Tecnológico de Zúrich (ETH Zurich) trabaja desde hace varios años en un proceso prometedor.
Las reacciones calientes toman protagonismo
El núcleo de su sistema para producir combustible a partir de CO2 atmosférico y energía solar es un reactor solar, que consta de una estructura cerámica porosa hecha de óxido de cerio. La radiación solar concentrada se dirige a este elemento a través de espejos parabólicos. Esto hace que el reactor se caliente hasta su temperatura de funcionamiento de hasta 1.500 grados Celsius. Posteriormente se alimenta con agua y CO₂ previamente obtenido del aire. En el reactor caliente tiene lugar entonces una reacción termoquímica cíclica gracias a la acción del óxido de cerio como catalizador: el agua y el CO₂ se separan y se crea el llamado gas de síntesis, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. Luego se puede procesar aún más para obtener combustibles de hidrocarburos líquidos, como el queroseno de aviación.
Vídeo: cómo funciona el sistema solar. © ETH Zúrich
Los desarrolladores ya han demostrado que el sistema funciona en una instalación de prueba en el tejado de la ETH. Sin embargo, hubo una limitación en el camino hacia la comercialización del concepto: la eficacia y el rendimiento del sistema aún dejan mucho que desear. El factor limitante fue la estructura del reactor solar, según los desarrolladores. Hasta ahora han utilizado un elemento cerámico producido de forma convencional con porosidad uniforme. Sin embargo, sus características hacían que no se calentara de forma óptima por la radiación solar incidente: en el interior del reactor no se alcanzaban las temperaturas ideales para la reacción termoquímica, lo que limitaba su rendimiento.
Las estructuras sofisticadas aumentan la eficiencia
La solución al problema ahora es posible gracias a nuevos avances en el campo de la impresión 3D: ahora es posible producir formas cerámicas muy complejas mediante el proceso aditivo. Los científicos ahora han adaptado esta tecnología para imprimir delicadas estructuras cerámicas de ceria para crear núcleos de reactores que permitan transportar la radiación solar al interior de manera más eficiente. Para ello, primero desarrollaron una “tinta” especial. Es una pasta compuesta por polímeros y partículas de óxido de cerio y tiene una consistencia que permite la impresión 3D. Se aplican capas, que luego se secan para que los huecos mantengan una forma estable. Finalmente, los núcleos impresos del reactor se cuecen a más de 1.600 grados Celsius para formar una unidad cerámica sólida.
Para realizar pruebas, el equipo produjo varias geometrías utilizando este método. Como informan, las estructuras jerárquicas con canales y poros finalmente resultaron ser óptimas. La superficie expuesta al sol es
Está diseñado para ser bastante abierto y las secciones posteriores se vuelven cada vez más densas. Esta disposición permite que la radiación solar concentrada se absorba mejor a través del volumen del reactor. De este modo, toda la estructura porosa alcanza una temperatura de reacción de 1.500 grados y contribuye así a la producción de combustible, explican los investigadores.
Como se puede ver en los resultados obtenidos hasta ahora, el efecto del nuevo concepto en el rendimiento de la reacción termoquímica es significativo: se ha demostrado que es posible producir el doble de combustible con las estructuras cerámicas jerárquicas impresas en comparación con anteriores. estructuras uniformes con los mismos resultados. Radiación solar concentrada. Esto representa un avance importante en el camino hacia la comercialización del concepto, que están emprendiendo dos empresas spin-off de la universidad. La tecnología para la impresión 3D de estructuras cerámicas ya está patentada, escribe ETH Zurich. Por último, el coautor Aldo Steinfeld afirma: «Esta tecnología tiene el potencial de aumentar significativamente la eficiencia energética del reactor solar y, por tanto, mejorar significativamente la viabilidad económica de los combustibles de aviación sostenibles», afirma el científico.
Fuente: Instituto Federal de Tecnología de Zúrich (ETH Zurich), artículo especializado: Advanced Materials Interfaces, doi: 10.1002/admi.202300452
https://doi.org/10.1002/admi.202300452
