Macht Natrium-Brennstoffzelle Elektroflugzeuge realistisch?
Neue Brennstoffzelle mit Natrium verspricht leichte, nachfüllbare Energiequelle für Elektroflugzeuge – emissionsfrei und skalierbar.
Eine H-Zelle, die mit Elektroden und einer ionendurchlässigen Keramikmembran modifiziert wurde, um Natrium-Luft-Brennstoffzellen-Experimente durchzuführen.
Foto: Gretchen Ertl
Ein Forschungsteam des MIT hat eine neue Art von Brennstoffzelle entwickelt, die auf flüssigem Natriummetall basiert. Das System könnte die Luftfahrt elektrifizieren, da es mehr als dreimal so viel Energie pro Kilogramm liefert wie heutige Lithium-Ionen-Batterien. Die Technologie verwendet eine festkeramische Elektrolytmembran und Luft als Oxidationsmittel. Sie ist nachfüllbar, potenziell kostengünstig und könnte CO₂ aus der Atmosphäre binden. Neben Flugzeugen wären auch Züge, Schiffe oder Drohnen mögliche Einsatzfelder. Erste praktische Anwendungen sind in Vorbereitung.
Inhaltsverzeichnis
Gewicht als Hürde für die Elektrifizierung der Luftfahrt
Elektroantriebe gelten als klimafreundliche Alternative für viele Verkehrsmittel – doch bei Flugzeugen setzt das Gewicht von Batterien enge Grenzen. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien speichern zu wenig Energie pro Kilogramm, um für Langstreckenflüge in Frage zu kommen. Der Materialwissenschaftler Yet-Ming Chiang vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) bringt es auf den Punkt: „Die Schwelle, die man für eine realistische elektrische Luftfahrt wirklich braucht, liegt bei etwa 1.000 Wattstunden pro Kilogramm.“
Aktuelle Lithium-Ionen-Akkus erreichen jedoch nur rund 300 Wattstunden pro Kilogramm – ein zu niedriger Wert, um Flugzeuge effizient zu betreiben. Besonders kritisch ist das bei Start, Steigflug und bei längeren Distanzen. Chiang und sein Team haben nun ein Konzept vorgestellt, das diese Lücke schließen könnte.
Brennstoffzelle statt Batterie
Die Forschenden setzen nicht auf klassische Akkumulatoren, sondern auf eine elektrochemische Zelle, die wie eine Brennstoffzelle funktioniert. Der Unterschied: Statt Strom zu speichern, erzeugt das System ihn kontinuierlich durch eine chemische Reaktion – und kann bei Bedarf neu befüllt werden.
Zum Einsatz kommt flüssiges Natriummetall. Es ist kostengünstig, verfügbar und gut erforscht. Auf der Gegenseite steht Luft, die als Sauerstoffquelle dient. Dazwischen befindet sich eine Schicht aus fester Keramik, die als Elektrolyt wirkt. Diese lässt Natriumionen durch, hält jedoch andere Reaktionsprodukte zurück.
Das Ergebnis: Eine kompakte Zelle mit hoher Energiedichte – im Prototyp erzielten die Forschenden über 1500 Wattstunden pro Kilogramm auf Zellebene.
Zwei Prototypen im Labortest
Das Team entwickelte zwei Varianten. Eine davon basiert auf einer vertikalen Glasröhrenkonstruktion. Der Brennstoff – flüssiges Natrium – befindet sich in einem Schenkel, Luft strömt durch den anderen. Beide Seiten sind über eine zentrale Reaktionszone mit Keramikelektrolyt verbunden. Die andere Variante ist horizontal aufgebaut und arbeitet mit einer Schale, in der sich der Brennstoff befindet. Die Elektrode liegt am Boden der Schale, der Luftstrom läuft darüber.
Beide Designs zeigen: Die Reaktion funktioniert. Besonders effizient arbeitet sie bei kontrollierter Luftfeuchtigkeit – ein Faktor, den die Forschenden zunächst unterschätzt hatten. Feuchte Luft fördert die Bildung von flüssigen Reaktionsprodukten, die sich leichter abführen lassen als feste Rückstände.
Luftfahrt als primäres Einsatzfeld
Die hohe Energiedichte und die Möglichkeit, den Brennstoff einfach nachzufüllen, machen die Technologie besonders interessant für Flugzeuge. Während heutige Batterien ein erhebliches Gewicht verursachen und aufwendig wiederaufgeladen werden müssen, könnte das neue System mit vorgefüllten Modulen arbeiten.
Diese könnten ähnlich wie Tablettschächte in einer Kantine in das Flugzeug eingelegt werden. Während des Flugs wandelt sich das Natriummetall in ein Nebenprodukt um. Dieses wird über eine Düse am Heck ausgestoßen – ähnlich wie die Abgase eines Triebwerks. Der Unterschied: Statt CO₂ entstehen dabei Reaktionsprodukte, die Kohlendioxid aus der Luft binden können.
Chemie mit Nebeneffekt: CO₂-Bindung inklusive
Bei der elektrochemischen Reaktion entsteht Natriumoxid. Dieses verbindet sich mit der Luftfeuchtigkeit zu Natriumhydroxid – einer stark alkalischen Substanz. Diese wiederum kann CO₂ aus der Umgebungsluft aufnehmen und in Natriumcarbonat umwandeln. Dieses Produkt bildet später Natriumbicarbonat – besser bekannt als Backpulver.
Chiang erklärt: „Das geschieht ganz spontan. Wir müssen nichts tun, um das zu erreichen – wir müssen nur das Flugzeug fliegen.“ Das bedeutet: Die Brennstoffzelle wäre nicht nur emissionsfrei, sie könnte sogar CO₂ aus der Atmosphäre binden.
Umweltvorteile und Sicherheit
Ein weiteres Plus: Sollte das Reaktionsprodukt ins Meer gelangen, könnte es durch die Alkalität die Ozeanversauerung abschwächen – ein wachsendes Problem im Zuge des Klimawandels.
Auch sicherheitstechnisch sehen die Forschenden Vorteile gegenüber klassischen Batterien. Zwar ist Natriummetall hochreaktiv und muss sicher gehandhabt werden, doch durch die Trennung der Reaktionspartner und das Konzept der kontrollierten Luftzufuhr sei das Risiko einer unkontrollierten Reaktion geringer als bei herkömmlichen Akkus.
Erste Anwendung: Große Drohnen
Aktuell existiert das System nur als Einzelzellen-Prototyp. Eine skalierte Version soll als Nächstes gebaut werden. Ziel ist eine kartuschengroße Zelle mit rund 1.000 Wattstunden – genug, um eine große Drohne anzutreiben. Denkbar wäre der Einsatz etwa in der Landwirtschaft oder bei Langstrecken-Inspektionen.
Die Zellen wären wiederbefüllbar: Leere Kartuschen würden zur Station zurückgebracht, mit neuem, geschmolzenem Natriummetall befüllt und erneut versiegelt.
Skalierung und Ressourcenverfügbarkeit
Ein entscheidender Vorteil: Die Rohstoffe sind bereits in großen Mengen verfügbar. Früher wurde Natrium in den USA zur Herstellung von Tetraethylblei in Benzin verwendet – mit jährlichen Produktionsmengen von über 200.000 Tonnen. Auch heute ließe sich die Substanz in großen Mengen herstellen, zumal sie aus Natriumchlorid gewonnen wird – also einfachem Kochsalz.
Im Unterschied zu Lithium, das oft unter fragwürdigen Umweltbedingungen abgebaut wird, wäre Natrium aus globaler Sicht ein nachhaltiger und breitenverfügbarer Rohstoff.
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