Le cœur d'un réacteur imprimé en 3D rend la production de combustible solaire plus efficace

Ces dernières années, les ingénieures et ingénieurs de l'ETH Zurich ont développé la technologie permettant de produire des carburants liquides à partir de la lumière du soleil et de l'air. En 2019, ils et elles ont démontré pour la première fois l'ensemble de la chaîne de processus thermochimique en conditions réelles, en plein Zurich, sur le toit de l'ETH Machine Laboratory. Ces carburants solaires synthétiques sont neutres en carbone, car ils ne rejettent lors de leur combustion que la quantité de CO₂ qui a été extraite de l'air pour leur production. Deux spin-offs de l'ETH, Climeworks et Synhelion, poursuivent le développement et la commercialisation de ces technologies.

Au cœur du processus de production se trouve un réacteur solaire exposé à la lumière concentrée du soleil fournie par un miroir parabolique et atteignant des températures allant jusqu'à 1500 degrés Celsius. À l'intérieur de ce réacteur, qui contient une structure céramique poreuse faite d'oxyde de cérium, un cycle thermochimique se déroule pour diviser l'eau et le CO₂ capturé précédemment dans l'air. Le produit est le gaz de synthèse : un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone, qui peut être transformé en carburants hydrocarbonés liquides tels que le kérosène (jet fuel) pour l'aviation.

Jusqu'à présent, les structures à porosité isotrope ont été utilisées, mais elles présentent l'inconvénient d'atténuer de manière exponentielle le rayonnement solaire incident lorsqu'il pénètre dans le réacteur. Il en résulte des températures internes plus basses, ce qui limite le rendement en combustible du réacteur solaire.

Aujourd'hui, des chercheurs et chercheuses du groupe d'André Studart, professeur de matériaux complexes, et du groupe d'Aldo Steinfeld, professeur de porteurs d'énergie renouvelable, ont développé une nouvelle méthodologie d'impression 3D qui leur permet de fabriquer des structures céramiques poreuses avec des géométries de pores complexes afin de transporter plus efficacement le rayonnement solaire à l'intérieur du réacteur. Le projet de recherche est financé par l'Office fédéral de l'énergie.

Les structures hiérarchiquement ordonnées avec des canaux et des pores ouverts à la surface exposée à la lumière du soleil et qui deviennent plus étroits vers l'arrière du réacteur se sont avérées particulièrement efficaces. Cette disposition permet d'absorber le rayonnement solaire concentré incident sur l'ensemble du volume. Cela permet à l'ensemble de la structure poreuse d'atteindre la température de réaction de 1500°C, ce qui stimule la production de combustible. Ces structures céramiques ont été fabriquées à l'aide d'un procédé d'impression 3D par extrusion et d'un nouveau type d'encre présentant des caractéristiques optimales développées spécifiquement à cette fin, à savoir une faible viscosité et une forte concentration de particules de cérium afin de maximiser la quantité de matériau actif d'oxydoréduction.

Essais initiaux réussis

Les scientifiques ont étudié l'interaction complexe entre le transfert de chaleur rayonnante et la réaction thermochimique. Ils et elles 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'une intensité équivalente à 1000 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 donc d'améliorer de manière significative la viabilité économique des carburants durables pour l'aviation», explique Aldo Steinfeld.