增材制造在应对气候变化中的作用

如今，我们进入21世纪已经20多年了，应对气候变化的重要性正在加速显现。正如联合国净零联盟所提出的：2050年《巴黎协定》强调了在十年内大幅减排的必要性，以使全球变暖不超过1.5℃，并保障一个宜居的气候。为了实现这一目标，重工业制造商正在迅速建立业务并进行大量投资，而科技初创公司正在创造新的解决方案。尽管工业制造商为解决这一问题进行了投资，而新成立的科技公司也在创造新的解决方案，但全球目标仍未实现。

碳捕获的核心是一些相对简单的化学反应。任何碳捕获和再生系统都必须以极高的效率运行，以确保它不会因为消耗高碳燃料或向大气排放更多的碳而加剧问题。换句话说，我们必须尽可能多地捕集碳，同时使用比捕集的碳少得多的碳来产生反应。理想的情况下，目标是以零碳输入换取无限的碳回收作为输出。

为了解决这个问题，需要有负碳的基础设施。帮助降低二氧化碳排放的最高效、有效、可扩展的方法是使用直接空气捕集（DAC）。直接空气捕集是一种能够从空气中分离出二氧化碳的技术，以创造经济所需的产品--如农产品、建筑材料、燃料、塑料和化学品。DAC还能实现封存--为建设性目的封存CO2的能力--将其从威胁变为机会。

从大气中去除碳需要一个由过滤器、热交换器、冷凝器、气体分离器和压缩机组成的系统。这些复杂部件中的许多都需要非常适合增材制造的几何形状，与传统的制造方法相比，增材制造的效率更高，而且可能更具成本效益，并为DAC设备带来实质性的性能和经济效益：

能源效率的设计优化。当我们将增材制造的设计优化能力用于这些碳捕获和利用系统时，我们有可能极大地提高性能和效率，接近无损能源。

设计自由。快速成型制造使设计变得自由，以表达有效地捕获和处理大气中的碳并利用它做一些有用的事情所需的新颖结构。

性能。能够生产一系列耐高温、耐腐蚀、同时具有高导热性的合金。

可扩展性。通过可扩展的制造快速提供，以支持现场对设备的大量需求。

供应链的高效性。部件整合和整体设计，实现了质量和供应链的精简。我们不能忽视在全国范围内使用多个供应商来生产单个组件的碳足迹。

增材制造满足了生产此类反应器的所有要求，并能实现解决碳捕获的各种需求的应用。

△图片由RMCMI 提供。

微型涡轮机是包括发电在内的各行业的一项新兴技术。它们为提供高压、高效的气体和流体输送提供了机会，其外形小巧，能源/碳足迹最小。碳捕获的效率与一般的发电非常相似，它是产量与能量输入的函数。

高性能、可靠的空气压缩和系统压力的稳定性对于现在以及更重要的未来的碳捕集系统的功能至关重要。随着工业碳捕集系统趋向于更多的商业单位，以及分布式的生产和操作，利用新颖、紧凑的涡轮机技术来实现高效率、小尺寸的操作就更加关键了。

△第1阶段机械过滤器的一个例子，该过滤器的设计和增材制造使空气接触和捕获最大化

碳捕集的一个关键部分是首先用结构化的机械过滤器 “捕捉 “碳，通常涂有吸引碳的胺类。空气通过第一阶段被吸入系统，这是 “直接空气接触“阶段。直接接触空气的过滤器的效率可以通过允许进入的空气和过滤器表面之间的最大接触的过滤器结构来实现最大化。增材制造允许这种过滤器的功能优先设计，可以引起高水平的湍流和混合，以及高表面积的最大空气接触。

典型的数值在这里起作用。面临的挑战是，我们如何以最小的压降获得最大的表面积？

△使用3DXpert软件设计的热交换器，有助于保持稳定的温度和维持化学反应。

热量浪费是碳捕捉中的一个常见问题。在第一个直接空气接触阶段捕获的碳必须从机械过滤器疏散到下游的精炼阶段。在该技术的许多实施方案中，这是通过加压蒸汽将碳从过滤器中释放出来完成的。热交换器可用于消除蒸汽生成过程中的剩余热量，更常见的是在下游降低离开过滤器阶段的富碳蒸汽的温度。此外，新的热交换策略与下游的蒸馏和精炼步骤相结合，使该过程保持稳定的温度，以维持化学反应和生产输出碳产品。

扩散板通常应用于化学处理中，以获取一定体积的气体或液体并使其混合。流体扩散的工作原理类似于光准直化的概念，即采取一个光源并组织能量，使光以平行的光束路径漫射出来。扩散板非常类似于花园水管的喷头，它将混乱的液体流动，产生结构化的均匀流动。液体扩散板是工艺堆栈的重要组成部分，以确保富碳流体在流经过程中的均匀流动和处理。

增材制造允许大体积扩散板提供高效率的液体扩散，主要是通过实现扩散板形状的设计复杂性，但也包括扩散器喷嘴形状。借用航空航天燃料喷嘴设计和半导体资本设备喷头应用的概念，增材制造扩散板的制造速度比单纯的机械加工快20倍。

△由于正向反应过程中产生的热量，强化装置内嵌入的冷却剂通道降低了柱温。图片来源：Michelle Lehman/ORNL，美国能源部。

从过滤阶段出来的富碳产品可以被认为是 "脏 "的，需要进一步加工才能使用。这种肮脏的碳后处理可以在一个独立的系统之外完成，但这意味着在收集和运输肮脏的碳产品到二级后处理设施的物流过程中会产生更多的碳。最有价值和有前途的碳捕集系统有某种程度的综合脏碳产品后处理，这样，碳捕集系统的输出包括干净的可用碳产品和安全的水基副产品。

精炼塔包括带有综合冷却功能的蒸馏器和热交换器，传统的组装方式相对复杂，有几十个金属板外壳和阶段（多达数百码的弯管），以及几十个法兰、配件和歧管，可能是加工或铸造的。所有这些都需要采购和组装，进一步增加了集体的碳输出和仅仅制造部件和组装它们所造成的污染。

增材制造允许广泛的部件整合和整体设计，这使得供应链得到显著的整合和精简。它还能实现功能优先、高效的设计，从而加快精加工阶段，在更小的外形尺寸中提供更多的产出。

碳捕集是一个化学过程，它涉及流体和气体与化学、温度和压力的结合。歧管在碳捕集中的应用很多，从将化学物输送到工艺室，到将冷却剂有效分配到热交换器等主动冷却部件，以及一般气体分配应用。使这些部件的生产具有挑战性的不是对耐化学性或航天级特殊材料的要求，而是需要在许多分支管线上保持压力平衡，甚至通过工艺室输送流体。高效的一对多分支，均匀的流体流动，再加上空间和装配的限制，这是一个几何问题，而增材制造在这方面有独特的优势，如今航空航天、国防和半导体行业对该技术的广泛采用就是证明。

直接空气捕获和提炼是改善大气碳水平的关键技术，而增材制造目前正在使该技术的效率显着提高。对此，3D Systems 的首席解决方案负责人表示：“3D Systems 和 AirCapture 通过利用增材制造快速迭代和制造可生产的组件，在合作中取得了长足的进步。我们能够将以前从未使用过的高效几何结构应用于工艺堆栈和热交换，从而提高捕获效率，同时减小外形尺寸和占地面积，使该技术易于安装并最终扩展。随着先进制造技术和设计工具的进一步采用，我们相信我们可以更轻松地了解气候对于后代来说可能仍然舒适宜居。”