Samoloty bez spalin? Amerykańscy naukowcy proponują małą rewolucję

Rewolucja w magazynowaniu energii

Ogniwo paliwowe to urządzenie elektrochemiczne, które zamienia energię chemiczną paliwa na energię elektryczną. W przeciwieństwie do baterii nie trzeba go ładować. Do działania wymaga dostarczenia paliwa i utleniacza. Typowym przykładem jest ogniwo wodorowe, ale możliwe są też inne paliwa, np. ciekły sód. I to właśnie ten pierwiastek zastosowali inżynierowie z MIT w nowym ogniwie paliwowym, które może przyspieszyć rozwój bezemisyjnego transportu lotniczego.

Naukowcy z MIT zaprojektowali prototyp ogniwa paliwowego, które nie tylko oferuje wyższą gęstość energetyczną niż klasyczne baterie, ale również charakteryzuje się prostą konstrukcją i niskimi kosztami produkcji. Wyniki prac zespołu kierowanego przez profesora Yet-Minga Chianga zostały opublikowane w czasopiśmie Joule.

Zaprojektowane ogniwa przewyższają powszechnie stosowane obecnie akumulatory litowo-jonowe pod względem magazynowania energii. W testach laboratoryjnych uzyskano wynik przekraczający 1500 watogodzin (Wh) na kilogram dla pojedynczego stosu. W przeliczeniu na cały system energetyczny przekłada się to na ponad 1000 Wh/kg. Dla porównania, baterie litowo-jonowe montowane obecnie w samochodach elektrycznych osiągają maksymalnie 300 Wh/kg. To zbyt mało, by napędzać samoloty, nawet te o małym zasięgu.

„Próg, który jest potrzebny w lotnictwie elektrycznym, wynosi około 1000 watogodzin na kilogram” – podkreśla Chiang w rozmowie z portalem MIT News.

Prototyp ogniwa paliwowego skonstruowano w dwóch wersjach: pionowej (ogniwo H) i poziomej. W obu przypadkach źródłem energii jest ciekły metal sodowy, który reaguje z tlenem z powietrza atmosferycznego. Proces ten zachodzi w ceramicznym elektrolicie, umożliwiającym przepływ jonów sodu. Co istotne, całość nie wymaga ładowania. Wystarczy wymienić wkład paliwowy. Jeśli chcemy, żeby bezemisyjny transport lotniczy stał się powszechny, to omawiane ogniwo paliwowe jest idealnym rozwiązaniem.

Polecamy: Niemcy stawiają na wodór. Wytwórca części inwestuje w ogniwa paliwowe

Inżynieria dla bezemisyjnego transportu lotniczego

Choć zasada działania ogniwa może wydawać się prosta, jej wdrożenie wymagało połączenia kilku dziedzin inżynierii. Ciekły sód znajduje się po jednej stronie urządzenia, a powietrze po drugiej. Elektrolit ceramiczny łączy je, umożliwiając reakcję elektrochemiczną. Elektroda pozwala na sprawne przekształcanie sodu i tlenu w energię elektryczną. Niezwykle istotna okazała się tu rola wilgotności. 

„Wilgotne powietrze spowodowało, że sód wytwarzał produkty rozkładu w postaci płynnej, a nie stałej, co znacznie ułatwiło ich usuwanie przez przepływ powietrza przez system” – tłumaczy Karen Sugano, współautorka badania. 

To odkrycie było ważne, bo produkty reakcji w postaci stałej mogłyby szybko zatykać kanały przepływu i ograniczać efektywność ogniwa. Dzięki temu nowe ogniwa mogą skutecznie napędzać bezemisyjny transport lotniczy, minimalizując ryzyko awarii i poprawiając bezpieczeństwo działania.

Od dronów po samoloty pasażerskie

Nowe ogniwa mogą okazać się przełomem w branży lotniczej. Jednak ich zastosowanie nie ogranicza się do latania. Dzięki wysokiej gęstości energii i niskim kosztom surowców technologia ta może sprawdzić się także w transporcie morskim i kolejowym. Szczególnie interesujący jest sposób dostarczania paliwa. Ogniwa mogą być montowane w formie wymiennych pakietów. Po zużyciu trafiłyby one do punktów uzupełniania i byłyby ponownie napełniane sodem. A co z opłacalnością tego pierwiastka?

Sód topi się w temperaturze zaledwie 98°C. Oznacza to, że jego obróbka jest prosta i niedroga. Co więcej, pierwiastek ten jest szeroko dostępny. Pozyskuje się go z chlorku sodu, czyli zwykłej soli kuchennej. W dodatku metaliczny sód był już wcześniej produkowany na dużą skalę, m.in. do produkcji dodatków do benzyny ołowiowej w USA, Było to nawet 200 tysięcy ton rocznie.

Zespół z MIT planuje teraz zbudować ogniwo wielkości cegły, które dostarczałoby około 1000 Wh energii. To wystarczająco, by zasilić dużego drona i jest ważnym krokiem na drodze do wdrożenia koncepcji bezemisyjnego transportu lotniczego na większą skalę. 

Fundament bezemisyjnego transportu lotniczego

Ogniwa sodowe dają również korzyści dla środowiska. Produktem ubocznym ich działania jest tlenek sodu, który w obecności wilgoci i dwutlenku węgla tworzy wodorotlenek sodu, a następnie wodorowęglan sodu. To nic innego jak soda oczyszczona. Ten związek wiąże CO₂ z atmosfery. Oznacza to, że urządzenie może nie tylko nie emitować gazów cieplarnianych, ale wręcz pomagać w ich usuwaniu. Co więcej, jeśli wodorowęglan sodu trafi do oceanu, może pomóc w przeciwdziałaniu zakwaszeniu wód.

Lubisz treści z drugim dnem? Holistic News mówi więcej, niż się wydaje

Nowa technologia opracowana w MIT może mieć kolosalne znaczenie. Proste w konstrukcji, tanie w produkcji, bezpieczne w użytkowaniu i przyjazne dla środowiska ogniwa paliwowe mogą nie tylko zasilić przyszłość lotnictwa, ale też przyczynić się do walki z globalnym ociepleniem. Jeśli uda się je skutecznie wdrożyć, może się okazać, że przyszłość energetyki i bezemisyjnego transportu lotniczego zaczęła się od… soli.

Polecamy: Bateria działa 50 lat i zmieści się w dłoni. Jest zasilana atomem