El reactor con energía solar muestra potencial para crear combustible para aviones con emisiones de carbono neto cero
Un esquema que ilustra cómo funciona el reactor fototomocatalítico con un absorbedor solar selectivo integrado. El reactor se muestra desde el lado. Crédito: dispositivo (2024). Doi: 10.1016/j.device.2024.100604
El aumento de las demandas de energía y los problemas asociados con la quema de combustibles fósiles han aumentado el interés en fuentes de energía más sostenibles, como la luz solar. Pero todavía hay áreas en las que el combustible a base de carbono sigue siendo el estándar, como en la industria de la aviación. Para abordar esta necesidad, los científicos han estado trabajando para diseñar una forma de usar la luz solar para generar calentamiento solar térmico que luego podría impulsar las reacciones químicas que se necesitan para hacer combustible para aviones con emisiones de carbono neto cero.
Ahora, un equipo de Caltech que forma parte de un centro de innovación energética del Departamento de Energía (DOE) conocido como Liquid Sunlight Alliance, o LISA, ha desarrollado un sistema de calentamiento solar-térmico a pequeña escala y ha demostrado que puede impulsar con éxito una reacción importante para la producción de combustible para aviones de aviones.
Completamente alimentado por la energía solar, el llamado reactor fototermocatalítico incorpora un absorbedor solar espectralmente selectivo para maximizar la generación de calentamiento solar térmico. El diseño modular del reactor aprovecha las tecnologías de fabricación actuales e infraestructura de producción de paneles solares de silicio existentes.
El equipo ha demostrado una operación a escala de laboratorio del reactor, y las simulaciones muestran que la tecnología tiene el potencial de ampliar los tamaños representativos de las tecnologías comerciales de película delgada basadas en silicio.
“Este dispositivo demuestra que el calor generado por la abundante energía solar puede usarse para impulsar directamente los procesos catalíticos, que normalmente se han realizado utilizando electricidad o combustibles fósiles”, dice Harry Atwater, profesor de ciencia de física y materiales aplicados de Howard Hughes, Otis Booth, presidente de liderazgo de la división de ciencias de ingeniería y aplicada, y director de Lisa.
El documento se publica en el dispositivo Journal. El autor principal del artículo es Magel P. Su (Ph.D. ’24), quien diseñó y fabricó al absorbedor solar mientras era estudiante graduado en el grupo Atwater.
El reactor incorpora un absorbedor solar selectivo con un diseño multicapa. El objetivo de tal absorbedor es capturar lo más posible del espectro solar mientras pierde la menor cantidad de calor posible en los alrededores. “Eso es muy difícil de lograr con un solo material, por lo que fuimos con una pila de múltiples capas”, explica el Aisulu Aitbekova de Caltech, autor de The New Paper y un Asociado de Investigación de Investigación Postdoctoral Postdoctoral del Instituto Kavli de NanoSciencia (KNI) en Ciencias de Materiales y Materiales.
El equipo de Caltech desarrolló una pila de capas que consisten en materiales como silicio, germanio y oro cuidadosamente depositado sobre un sustrato de plata. “Cada capa tiene un papel específico, pero cuando se combinan, le dan el resultado deseado”, dice Aitbekova.
El reactor fototermocatalítico se representa (arriba) con etileno como entrada y combustible líquido como salida. A continuación se muestra la absorción selectiva del absorción solar del espectro solar (naranja) y la minimización del calor perdido en los alrededores (rojo). Crédito: dispositivo (2024). Doi: 10.1016/j.device.2024.100604
En este sistema, una ventana de cuarzo en la parte superior permite que la luz ilumine el absorbedor solar; Una capa de vacío ayuda a minimizar las pérdidas de calor; y el absorbedor solar se encuentra en la parte inferior, en contacto directo con el reactor químico. El absorbedor solar selectivo logra una temperatura máxima calculada de 249 ° C bajo una iluminación solar y 130 ° C en condiciones de funcionamiento ambiental (25 ° C, 1 atm).
El equipo utilizó el calentamiento solar-térmico generado para impulsar la oligomerización de etileno, una reacción química que tradicionalmente se ha basado en el calor derivado de la quema de combustibles fósiles. La reacción de oligomerización, que comienza con etileno (C2H4), un hidrocarburo con dos átomos de carbono conectados por un doble enlace, puede usarse para hacer cadenas de hidrocarburos más largas llamadas alquenos, que todavía cuentan con un doble enlace de carbono -carbono.
Los combustibles a reacción incluyen una amplia distribución de cadenas de hidrocarburos, con siete a 26 átomos de carbono. En el nuevo artículo, los científicos de Caltech pudieron fabricar productos de alqueno líquido con la misma gama de átomos de carbono utilizando energía solar que la única fuerza impulsora.
A diferencia de la tecnología solar concentrada, el reactor no requiere seguimiento solar. El seguimiento solar permite que un colector solar, un reflector o un panel fotovoltaico siga el sol durante el día para maximizar la radiación solar absorbida. Sin embargo, los sistemas de seguimiento solar son más caros que los dispositivos montados en un ángulo fijo y orientación.
“No estamos compitiendo con la tecnología solar concentrada, donde puede alcanzar hasta 2.700 soles”, dice Aitbekova. “Estamos buscando una tecnología complementaria que pueda usarse en áreas donde la energía solar concentrada no es factible”.
En este artículo, el equipo comenzó con Etileno, que actualmente se deriva de los combustibles fósiles. Pero Aitbekova señala que el equipo de LISA publicó recientemente otro artículo que demuestra cómo hacer etileno a partir de dióxido de carbono (CO2), agua y luz solar. “Entonces, ahora mostramos dos pasos: primero, usamos CO2, agua y luz solar para hacer etileno, y luego hacemos oligomerización de etileno. Y la energía solar es la única entrada de energía para el sistema”.
Más información: Magel P. Su et al, un reactor fototermocatalítico y absorbedor solar selectivo para la síntesis de combustible sostenible, dispositivo (2024). Doi: 10.1016/j.device.2024.100604
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California
Cita: el reactor con energía solar muestra el potencial para crear combustible para aviones con emisiones de carbono neto-cero (2025, 21 de marzo) recuperado el 22 de marzo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-03-solar-powered-reactor-potential-jet.html
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