Litt inne i det nye årtusenet trodde enkelte at blekkskrivernes smarte søskenbarn, 3D-printeren, ville revolusjonere verdens vareproduksjon. De så for seg at 3D-printing skulle gjøre slutt på tidkrevende og forurensende frakt av maskindeler ut fra sentrale fabrikkanlegg. Delene skulle i stedet bygges lag for lag i en printer ute hos brukerne.
Helt sånn har det ikke gått, selv om 3D-printerne har inntatt enkelte bransjer.
Potensial i energi
Nå viser forskning hos oss i Sintef at metoden har et potensial innenfor et marked der den har vært lite brukt til nå. Nærmere bestemt i energisektoren.
En 3D-printer er en avansert versjon av blekkskriverne vi bruker hjemme og på kontoret. Mens tradisjonelle skrivere overfører ett lag blekk til underlaget, legger 3D-printere lag på lag med byggematerialer oppå hverandre – vanligvis etter anvisninger fra en datamodell av komponenten som skal framstilles.
Slik kan gjenstander med komplekse geometrier lages med effektiv materialbruk – og gis unike materialegenskaper.
Vektreduksjoner
Luftfarts- og romfartsindustrien er blant de næringene som til nå har fått hjelp av 3D-printere. Dette fordi metoden gjør det mulig å oppnå vektreduksjoner.
Også i helseindustrien har 3D-printerne gjort sitt inntog. Mulighetene metoden gir for individuell tilpasning av produkter, har vært en driver for å printe hofteproteser og andre «reservedeler» til mennesker.
I Sintef har vi nå sett nærmere på hva 3D-printing kan bety innenfor en helt annen sfære: vannelektrolyse. Altså det å splitte vannmolekyler til oksygen og energibæreren hydrogen ved hjelp av elektrisitet.
Neste generasjon elektrolysører
Resultatene er lovende. De gir grunn til å tro at 3D-printing vil øke ytelsene til neste generasjon «elektrolysører» – utstyret som deler vannmolekylene i to. Det betyr at metoden kan gi oss mer grønt hydrogen for hver kilowattime med fornybar strøm som går til vannelektrolyse.
Gjennom de siste 10–15 årene har en ny type produksjonsceller for vannelektrolyse fått mer og mer vind i seilene. Disse er basert på membraner av typen PEM (polymer electrolyte membrane). Slike celler håndterer uforutsigbar produksjon av sol- og vindkraft mer effektivt enn det de tradisjonelle elektrolysørene gjør.
Ny batterifabrikk kan produsere 50.000 nye batterimoduler årlig
Porøst transportlag
Et av de kritisk viktige elementene i PEM-celler er et såkalt transportlag som er porøst. Transportlaget må være slik at vann effektivt kan fraktes gjennom det. I tillegg må det fjerne produsert gass og gi god elektrisk ledningsevne.
Om den elektrokjemiske ytelsen til PEM-celler skal være stabil, må det porøse transportlaget ha en optimalisert mikrostruktur. I forsøkene våre ved Sintef har vi brukt den vanligste og mest modne teknologien for metallbasert 3D-printing til å oppnå dette.
Nærmere bestemt har vi benyttet den printerteknologien som kalles pulversengfusjon med laserstråle (PBF-LB). Laserstrålene smelter metallpulver i mikronstørrelse for å danne den aktuelle komponenten. Dette gir ønskede gitterstrukturer som det er praktisk talt umulig å lage med konvensjonelle produksjonsmetoder.
Kan manipulere laserstrålen
PBF-LB-teknologien har til nå krevd datamodeller som beskriver og styrer oppbyggingen komponenten skal ha. Men vi har tenkt nytt og utviklet en metode som lager porøse transportlagre uten at noen datamodell kreves.
I stedet kan vi manipulere laserstrålen og skannestrategiene. Forsøkene våre er finansiert av Sintef selv, som ledd i et kunnskapsoppbyggende strategisk prosjekt. De viser at metoden vår gjør det mulig å lage sammenkoblede porer og frie baner på en måte som er gunstig for transport og separasjon av vann og gass i det porøse transportlaget.
Vi har allerede klart å få fram porøse transportlag som er sammenlignbare med kommersielt tilgjengelige produkter hva ytelse angår. Vi har tro på at videreutvikling av metoden vår vil gjøre det mulig å høyne ytelsesnivået til PEM-baserte elektrolyseceller vesentlig.
Viktig for batteriindustrien
3D-printing åpner også andre spennende muligheter innen energisektoren. I EU-regi har vi nylig vært involvert i forskning som viser at metallbasert 3D-printing kan bli et viktig hjelpemiddel også for batterindustrien. Nærmere bestemt ved produksjon av ladbare Zink-luft-batterier, som kan bli et alternativ til dagens litiumbatterier.
Vi brukte metoden vår til å lage 3D-strukturer som forbedrer den elektriske ledningsevnen til Zink-elektroden. I tillegg benyttet vi den til å lage elektroder med ulike strukturer. Dette ga resultater som gir håp om at metoden kan forlenge levetiden til oppladbare Zink-batterier. Nettopp oppladingsevnen er en stor utfordring for denne typen batterier.
Å lykkes med å realisere et klimanøytralt samfunn er ikke trivielt. Desto viktigere blir det å ta i bruk tverrfaglige teknologier som 3D-printing i arbeidet med å sikre verden en grønn og bærekraftig fremtid.
Forskere: Hydrogen og batterier avgjørende for nullutslipp i tungtransport
