Cornell University und Lithoz erhalten Zuschuss für die Entwicklung neuer 3D-Druckkeramik für saubere Energiereaktoren

Oct 04, 2023

Die Cornell University hat zusammen mit ihren Start-up-Unternehmen Dimensional Energy und Lithoz ein Stipendium für die Entwicklung neuartiger Keramiken erhalten, die für den 3D-Druck von Teilen von Reaktoren für saubere Energie verwendet werden könnten.

Nachdem die Forscher der Unternehmen 50.000 US-Dollar an Fördermitteln eingeworben haben, wollen sie nun einen neuen Keramiktyp entwickeln, der den hohen Temperaturen thermokatalytischer Reaktoren im Betrieb besser standhält. Mithilfe von Computermodellen und 3D-Druck könnte es laut dem Team möglich sein, das resultierende Material in Strukturen zu schichten, die speziell geformt sind, um sowohl die Widerstandsfähigkeit als auch die CO2-Umwandlungsraten des Reaktors zu verbessern.

„Hervorragende thermische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit machen Keramik für diese Reaktoren attraktiv, aber erhebliche Designbeschränkungen schränken ihre tatsächliche Leistung ein“, sagte Sadaf Sobhani, Assistenzprofessor der Cornell University, der das Programm leitet. „Die Freiheit des Designs und der Materialauswahl, die durch die additive Fertigung von Keramik ermöglicht wird, wird die Lücke zwischen Theorie und Leistung verringern, um die gewünschten Meilensteine ​​zu erreichen.“

Die LCM-3D-Drucktechnologie von Lithoz

Forscher der Cornell University arbeiten seit mindestens zwei Jahren mit Lithoz an Initiativen zur Verbesserung der Leistung thermokatalytischer Reaktorteile, einem Partner mit umfassender Erfahrung im keramischen 3D-Druck. Die 2006 an der Technischen Universität Wien entwickelte LCM-3D-Drucktechnologie von Lithoz ermöglicht die Herstellung komplexer Keramikstrukturen mit ultrahoher Auflösung.

In der Praxis beinhaltet der Prozess die Polymerisierung eines lichthärtbaren Materials, in dem Keramikpartikel Schicht für Schicht dispergiert sind, in gewünschte Formen, bevor diese zu festen Keramikteilen gesintert werden. Laut Lithoz ermöglicht sein Ansatz die Herstellung von Komponenten, die „die mechanische Leistung und Reproduzierbarkeit“ derjenigen erreichen oder übertreffen, die mit traditionellen Keramikherstellungsmethoden hergestellt werden.

Um seine Technologie zu kommerzialisieren, hat das Unternehmen sie in mehrere Maschinen integriert, darunter den 3D-Drucker CeraFab Multi 2M30, der über Funktionen zur additiven Fertigung mehrerer Materialien verfügt. Durch die Erleichterung der Herstellung von Keramik-Metall-, Keramik-Polymer- und Keramik-Keramik-Verbindungen ermöglicht das System die Herstellung funktionell abgestufter Teile mit einer Mischung mechanischer Eigenschaften.

Vor kurzem hat Lithoz den CeraFab Lab L30 auf den Markt gebracht, einen preisgünstigen LCM-3D-Drucker, sowie den brandneuen CeraMax Vario V900, der für die Produktion großer Objekte mit einer Größe von bis zu 250 x 250 x 290 mm und dicken Wänden entwickelt wurde und volle Dichten.

Im Laufe der Jahre hat das Unternehmen auch versucht, neue Keramikmaterialien zu entwickeln, um die Anwendungsmöglichkeiten seiner Technologien zu erweitern. Bereits 2019 entwickelte Lithoz beispielsweise zusammen mit Corning eine 3D-Druck-Glaskeramik, die damals als Durchbruch bei der Entwicklung robuster, biokompatibler Supraleiter gefeiert wurde.

Eine von Cornell geleitete Initiative für grüne Energie

Die von FuzeHub, einer gemeinnützigen Organisation zur Förderung des Wachstums von Unternehmen mit Sitz in New York, vergebenen Mittel in Höhe von 50.000 US-Dollar wurden tatsächlich zur Unterstützung des Betriebs von Dimensional Energy vergeben. Das von der Cornell University geführte Unternehmen nutzt Energiereaktoren, um Kohlendioxid in Chemikalien umzuwandeln, die später zu sauberem Flugtreibstoff verarbeitet werden können.

Während Dimensional Energy im Juni die Unterstützung von United Airlines erhielt, indem das Unternehmen Finanzmittel bereitstellte und sich zum Kauf von 300 Millionen Gallonen Treibstoff verpflichtete, setzt das Start-up auf thermokatalytische Technologie, deren Skalierung schwierig sein kann.

Solche Spezialreaktoren funktionieren effektiv durch die Umwandlung von eingefangenem CO2, aber wie die Cornell University selbst sagt, ist die Aufspaltung der „notorisch starken molekularen Bindungen“ des Gases „keine leichte Aufgabe“. Um den Prozess zu optimieren, hat eine von Cornell geleitete Forschungsgruppe daher damit begonnen, mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, um 3D-druckbare Keramiken zu entwickeln, mit denen Kohlenstoffemissionen effizienter aufgebrochen werden könnten.

Aufbauend auf den Erkenntnissen früherer Forschungsarbeiten, bei denen das Team gemeinsam mit Lithoz America einen auf Computermodellierung und 3D-Druck basierenden Ansatz entwickelte, zielen sie nun darauf ab, leistungsoptimierte Reaktorteile zu entwickeln. Elena Garuc, Geschäftsführerin von FuzeHub, glaubt, dass die Forscher dadurch die US-Wirtschaft ankurbeln werden, indem sie einen besseren Zugang zu einer sauberen Energiequelle an Land ermöglichen.

„Eine stärkere inländische Produktion unterstützt eine widerstandsfähigere Wirtschaft“, erklärte Garuc. „Während dieser Runde der Fertigungszuschüsse betrafen viele der ausgewählten Projekte fortschrittliche Materialien. Während die Preisträger an der Lösung technischer Herausforderungen arbeiten, unterstützen sie auch die Auslagerung der Produktion, was für die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette von entscheidender Bedeutung ist, insbesondere in diesen post- Pandemiezeiten.“

Keramischer 3D-Druck in der Praxis

Trotz der Fragilität, die traditionell mit Keramik in Verbindung gebracht wird, finden Forscher und Hersteller zunehmend Wege, dies zu umgehen, indem sie das Material in Teile für Luft- und Raumfahrt-, Energie- und sogar Radaranwendungen in 3D drucken.

Im Mai 2022 gab die französische Raumfahrtbehörde bekannt, dass sie den Einsatz von 3D-Druck zur Optimierung von Weltraumsubsystemen untersucht. Insbesondere gab die Agentur bekannt, dass sie das Potenzial untersucht, wie 3D-gedruckte Oxidkeramikmaterialien zur Verbesserung des Designs wichtiger Subsysteme für Raumfahrtantriebe eingesetzt werden könnten.

Ähnlich wie Dimensional Energy hat Bosch Advanced Ceramics zusammen mit dem Chemieunternehmen BASF und dem Karlsruher Institut für Technologie das Material verwendet, um den weltweit ersten 3D-gedruckten Keramik-Mikroreaktor zu bauen. Das im Juli 2022 vorgestellte Gerät ist darauf ausgelegt, chemische Reaktionen aufzunehmen und zu ermöglichen und außerdem den oft extremen Bedingungen standzuhalten, die während des Prozesses entstehen.

Ende letzten Jahres gab CeramTec außerdem bekannt, dass die Nachfrage nach 3D-gedruckten piezoelektrischen Sonarteilen für Unterwasseranwendungen steigt. Das Unternehmen stellt maßgeschneiderte PZT-Komponenten für passive und aktive Systeme mit akustischen Sonar-Anwendungsfällen her und konzentriert sich dabei insbesondere auf die Produktion von Halbkugeln, Scheiben, Blöcken und Rohren.

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Das Bild zeigt, wie Dimensional Energy einen Reaktor im Cornell McGovern Center testet. Foto über Cornell University.

Paul hat einen Abschluss in Geschichte und Journalismus und hat eine Leidenschaft dafür, die neuesten Nachrichten aus dem Technologiebereich zu finden.