Nova gorivna ćelija bi mogla omogućiti električnu avijaciju

Ovi uređaji bi mogli sadržati triput više energije po jedinici mase nego današnje najbolje baterije za električna vozila, omogućavajući lakše napajanje kamiona, aviona ili brodova.

Baterije se približavaju svojim granicama u pogledu količine energije koju mogu da skladište po datoj težini. To je ozbiljna prepreka za razvoj i potragu za novim načinima napajanja aviona, vozova i brodova.

Preporučujemo

Istraživači su sad pronašli rešenje koje bi moglo pomoći u elektrifikaciji tih transportnih sistema. Umesto baterije, novi koncept je vrsta gorivne ćelije, koja je slična bateriji, ali se može brzo dopuniti gorivom umesto električnog punjenja.

U ovom slučaju, gorivo je likvidni natrijumov metal, jeftin i uveliko dostupan. Drugu stranu ćelije čini samo običan vazduh, koji služi kao izvor atoma kiseonika. Između je sloj čvrstog keramičkog materijala kao elektrolit koji dozvoljava jonima natrijuma da slobodno prolaze, i porozna elektroda prema vazduhu koja pomaže da natrijum hemijski reaguje sa kiseonikom i proizvodi električnu energiju.

U nizu eksperimenata sa prototipom, istraživači iz Masačusetskog instituta za tehnologiju pokazali su da ova ćelija može nositi više od tri puta energije po jedinici težine nego litijum-jonske baterije koje se danas koriste u gotovo svim električnim vozilima.

„Očekujemo da ljudi misle da je ovo potpuno suluda ideja. Ako ljudi isprva ne misle da je nešto potpuno ludo, to verovatno neće biti baš revolucionarno“, kažu istraživači.

Ova tehnologija, pak, izgleda ima potencijal da bude vrlo revolucionarna, pogotovo za avijaciju, gde je težina naročito bitna, pa bi takav napredak u pogledu gustine energije mogao konačno učiniti let na električni pogon praktičnim u velikim razmerama.

Nivo potreban za realističnu električnu avijaciju je oko 1.000 vat-sati po kilogramu. Današnje litijum-jonske baterije električnih vozila dostižu oko 300 vat-sati po kilogramu – daleko od potrebnog nivoa. Čak ni 1.000 vat-sati po kilogramu ne bi bilo dovoljno za transkontinentalne ili transatlantske letove, kažu istraživači.

To još nije ostvarivo ni za jednu poznatu baterijsku hemiju, ali bi postizanje nivoa od 1.000 vat-sati po kilogramu pomoglo regionalnoj električnoj avijaciji, koja čini oko 80% domaćih letova i 30% emisija od avijacije.

Ta tehnologija bi mogla pomoći i u drugim sektorima, uključujući morski i železnički transport. „Svi oni zahtevaju vrlo visoku gustinu energije i nisku cenu. To nas je privuklo natrijumovom metalu“, kažu istraživači.

Mnogo istraživanja je posvećeno razvoju litijum-vazdušnih ili natrijum-vazdušnih baterija tokom prošle tri decenije, ali je bilo teško učiniti ih potpuno punjivim. Odavno se zna se za gustinu energije koja se može dobiti pomoću metal-vazdušnih baterija, ali to nije realizovano iako je veoma poželjno.

Putem istog osnovnog elektrohemijskog koncepta, sa gorivnom ćelijom umesto baterije, istraživači su uspeli da iskoriste visoku gustinu energije u praktičnom obliku. Za razliku od baterije, čiji delovi se sastavljaju jednom i zatvaraju u kontejner, kod gorivne ćelije materijali koji nose energiju idu unutra i napolje.

Testovi sa vazdušnom strujom i pažljivo kontrolisanim nivoom vlažnosti proizveli su nivo od skoro 1,700 vat-sati po kilogramu na nivou individualnog „šteka“, što bi značilo više od 1.000 vat-sati na nivou punog sistema, kažu istraživači.

Da bi se ovaj sistem koristio u avionu, pakovanja goriva bi se ubacivala u gorivne ćelije. Natrijumov matal u tim pakovanjima bi se hemijski transformisao proizvodeći energiju. Struja hemijskog nusproizvoda bi izlazila pozadi, slično kao kod mlaznog motora. Međutim, sa velikom razlikom – bez emisija ugljen-dioksida.

Umesto toga, emisije natrijum-oksida bi upijale ugljen dioksid iz atmosfere. Ovo jedinjenje bi se brzo kombinovalo sa vlagom u vazduhu praveći natrijum-hidroksid, materijal koji se obično koristi za čišćenje odvoda, i brzo reaguje sa ugljen-dioksiom stvarajući čvrst materijal, natrijum-karbonat, koji stvara natrijum-bikarbonat, poznat kao soda bikarbona.

U pitanju je prirodni niz reakcija kad se počne sa natrijumovim metalom, sve je spontano – avion treba samo da leti, kažu istraživači.

Kao dodatna korist, ako krajnji proizvod, natrijum-bikarbonat, završi u okeanu, mogao bi doprineti deacidifikaciji vode, suprotstavljajući se još jednom štetnom efektu gasova staklene bašte.

Upotreba natrijum-hidroksida za hvatanje ugljen dioksida je predložena kao način smanjenja emisija ugljenika, ali po sebi nije ekonomično rešenje jer je to jedinjenje previše skupo. Međutim kao nusproizvod je praktično besplatno i korisno za životnu sredinu bez troškova.

Važno je istaći da je nova gorivna ćelija inherentno bezbednija nego mnoge druge baterije. Natrijumov metal je vrlo reaktivan i mora biti dobro obezbeđen. Poput litijumskih baterija, natrijum može spontano da se zapali ako je izložen vlazi.

Kad god imate bateriju sa veoma visokom gustinom energije, bezbednost je uvek u pitanju, jer ako dođe do pucanja membrane koja razdvaja dva elementa – moguća je burna reakcija.

Međutim, s jedne strane u novoj gorivnoj ćeliji nalazi se samo vazduh, tako da nemate dva koncentrisana elementa reakcije jedan uz drugi. U cilju zaista visoke gustine energije, bolja je gorivna ćelija nego baterija zbog bezbednosnih razloga, kažu istraživači.

Iako uređaj zasad postoji samo kao mali, „jednoćelijski“ prototip, trebalo bi da je prilično jednostavno povećati sistem do praktičnih veličina radi komercijalizacije. Istraživački tim je već formirao kompaniju – Propel Aero – za razvoj ove tehnologije.

Proizvodnja dovoljno natrijumovog metala u cilju opsežne globalne primene punih razmera trebalo bi da je realistična pošto je taj materijal već proizvođen u velikim razmerama. Kad je olovni benzin bio standard, natrijumov metal je korišćen u proizvodnji tetraetil-olova kao aditiv.

Štaviše, natrijum se prvenstveno dobija iz natrijum-hlorida, tj. soli, tako da ga ima u velikim količinama širom sveta i lako se ekstrahuje, za razliku od litijuma i drugih materijala u današnjim baterijama električnih vozila.

Predviđeni sistem bi koristio višekratno punjivi kertridž koji bi se punio likvidnim natrijumovim metalom i bio zapečaćen. Kad se potroši bio bi napunjen novim natrijumom. Natrijum se topi na 98 stepeni Celzijusovih – što je malo manje od temperature ključanja vode – tako da ga je lako zagrejati do tačke topljenja kako bi se kertridži ponovo napunili.

Plan je da se prvo napravi gorivna ćelija veličine cigle koja može da obezbedi oko 1.000 vat-sati energije, dovoljno za napajanje velikog drona, kako bi se dokazao koncept u praktičnom obliku, koji bi se mogao koristiti u poljoprivredi, na primer. Očekuje se da će ta demonstracija biti spremna u toku naredne godine.

Istraživači kažu da je bitan nalaz bio značaj vlage u procesu. Prilikom testiranja uređaja sa čistim kiseonikom, a zatim sa vazduhom, otkriveno je da je količina vlage u vazduhu ključna za efikasnost elektrohemijske reakcije. Vlažan vazduh je uticao tako da natrijumovi proizvodi budu u likvidnom, a ne u čvrstom obliku, pa su mnogo lakše uklonjeni strujom vazduha kroz sistem.

(Telegraf Nauka/EurekAlert)