Agora, uma equipe do Caltech que faz parte de um Hub de Inovação Energética do Departamento de Energia (DOE) conhecido como Liquid Sunlight Alliance, ou LiSA, desenvolveu um sistema de aquecimento solar-térmico em pequena escala e demonstrou que ele pode conduzir com sucesso uma reação importante para a produção de combustível de aviação. Totalmente alimentado por energia solar, o chamado reator fototermocatalítico incorpora um absorvedor solar espectralmente seletivo para maximizar a geração de aquecimento solar-térmico. O design modular do reator aproveita as tecnologias de fabricação atuais e a infraestrutura de produção de painéis solares de silício existente. A equipe demonstrou uma operação em escala de laboratório do reator, e simulações mostram que a tecnologia tem o potencial de aumentar para tamanhos representativos de tecnologias comerciais de película fina baseadas em silício.

"Este dispositivo demonstra que o calor gerado pela energia solar abundante pode ser usado para acionar diretamente processos catalíticos, o que normalmente é feito usando eletricidade ou combustíveis fósseis", diz Harry Atwater , professor Howard Hughes de Física Aplicada e Ciência dos Materiais, presidente da Divisão de Engenharia e Ciência Aplicada da Otis Booth e diretor da LiSA.

O artigo aparece online e está incluído na edição impressa deste mês do periódico Device. O autor principal do artigo é Magel P. Su (PhD '24), que projetou e fabricou o absorvedor solar enquanto estudante de pós-graduação no Atwater Group .

O reator incorpora um absorvedor solar seletivo com um design multicamadas. O objetivo de tal absorvedor é capturar o máximo possível do espectro solar enquanto perde o mínimo de calor possível para o entorno. "Isso é muito difícil de conseguir com um único material, então fomos com uma pilha multicamadas", explica Aisulu Aitbekova, da Caltech, autora do novo artigo e pesquisadora associada de pós-doutorado do Kavli Nanoscience Institute (KNI) em física aplicada e ciência dos materiais. A equipe da Caltech desenvolveu uma pilha de camadas consistindo de materiais como silício, germânio e ouro cuidadosamente depositados sobre um substrato de prata. "Cada camada tem uma função específica, mas quando combinadas, elas fornecem a saída desejada", diz Aitbekova.

Neste sistema, uma janela de quartzo na parte superior permite que a luz ilumine o absorvedor solar; uma camada de vácuo ajuda a minimizar as perdas de calor; e o absorvedor solar fica na parte inferior, em contato direto com o reator químico. O absorvedor solar seletivo atinge uma temperatura máxima calculada de 249 graus C sob uma iluminação solar e 130 graus C sob condições operacionais ambientais (25 graus C, 1 atm).

A equipe usou o aquecimento solar-térmico gerado para impulsionar a oligomerização do etileno, uma reação química que tradicionalmente depende do calor derivado da queima de combustíveis fósseis. A reação de oligomerização, que começa com etileno (C2H4), um hidrocarboneto com dois átomos de carbono conectados por uma ligação dupla, pode ser usada para fazer cadeias de hidrocarbonetos mais longas chamadas alcenos, que ainda apresentam uma ligação dupla carbono-carbono. Os combustíveis de jato incluem uma ampla distribuição de cadeias de hidrocarbonetos, com qualquer lugar de sete a 26 átomos de carbono. No novo artigo, os cientistas do Caltech foram capazes de fazer produtos de alceno líquido com a mesma gama de átomos de carbono usando energia solar como a única força motriz.

Ao contrário da tecnologia solar concentrada, o reator não requer rastreamento solar. O rastreamento solar permite que um coletor solar, refletor ou painel fotovoltaico siga o sol durante o dia para maximizar a radiação solar absorvida. No entanto, os sistemas de rastreamento solar são mais caros do que os dispositivos montados em um ângulo e orientação fixos.

"Não estamos competindo com a tecnologia solar concentrada, onde você pode atingir até 2.700 sóis", diz Aitbekova. "Estamos procurando uma tecnologia complementar, que possa ser usada em áreas onde a energia solar concentrada não é viável."

Neste artigo, a equipe começou com etileno, que atualmente é derivado de combustíveis fósseis. Mas Aitbekova observa que a equipe LiSA publicou recentemente outro artigo demonstrando como fazer etileno a partir de dióxido de carbono (CO2), água e luz solar. "Então, agora mostramos duas etapas: primeiro, usamos CO2, água e luz solar para fazer etileno, e então fazemos a oligomerização do etileno. E a energia solar é a única entrada de energia para o sistema."

Autores adicionais do artigo, "Um reator fototermocatalítico e absorvedor solar seletivo para síntese de combustível sustentável", são os atuais alunos de pós-graduação do Caltech Matthew Salazar e Fabian J. Williams (MS '24), o ex-pós-doutorado do Caltech Xueqian Li e o ex-aluno de pós-graduação Shuoyan Xiong, o bolsista de pós-doutorado Matthew Espinosa e os membros do corpo docente do Caltech Jonas C. Peters e Theodor Agapie (PhD '07). Peters é Bren Professor de Química e diretor do Resnick Sustainability Institute ; Agapie é o John Stauffer Professor de Química e diretor executivo de química. Além do financiamento da Liquid Sunlight Alliance, o projeto recebeu suporte e infraestrutura do Kavli Nanoscience Institute do Caltech.