Натриевые топливные ячейки могут стать будущим авиации, железнодорожного и морского транспорта, считает команда ученых Массачусетского технологического института.
Самолеты будущего будут заправлять натрием, а из выхлопных труб будет идти пищевая сода. Трудно поверить?
Натриевая топливная ячейка для авиации, разработаннам Массачусетским технологическим институтом, не только вырабатывает больше энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, но в процессе очищает воздух и снижает кислотность океанской воды.
Picryl
Содержание
Прототип такой ячейки, созданный ими, состоит из двух полостей, разделенные мембраной из керамики, играющей роль твердого электролита. Одна полость заполнена сжиженным натрием (этот металл плавится уже при 98°C), в другую подается обычный воздух.
Натрий в ячейке проходит несколько превращений:
- Соединяясь с кислородом, он образует оксид натрия.
- Оксид реагирует с парами воды, содержащимися в воздухе, и образует гидроксид.
- Гидроксид реагирует с углекислым газом из воздуха, образуя бикарбонат натрия – проще говоря, пищевая сода.
- При этом на пористом электроде, помещенном в полость с воздухом, генерируется электрический ток, который питает двигатели летательного аппарата.
Сода, растворенная в воде, извергается из его «выхлопных труб».
На аэродроме использованные пустые ячейки вынимают, а вместо них вставляют полностью заряженные. Использованные ячейки снова заполняют натрием.
Еще один сценарий для электрической авиации
Уже давно цивилизация пытается создать экологически чистые летательные аппараты, которые при этом были бы лучше керосиновых самолетов и вертолетов наших дней. Но все разработанные до сих пор технологии имеют важные недостатки.
- Литий-ионные аккумуляторы слишком тяжелые для самолетов. Плотность хранения энергии в них невелика, порядка 300 ватт-часов на килограмм веса батареи. Это слишком мало: даже для ближнемагистральных самолетов нужно порядка 1000 Вт·ч/кг, а чтобы создать электрический среднемагистральный лайнер, нужно еще больше.
- Синтетическое и биотопливо обеспечивает хорошую плотность хранения энергии. Однако пока его производство стоит дорого, а двигатель, работающий на таком топливе, выделяет вредные газы.
- Водородное топливо экологично и имеет высокую плотность хранения энергии, но при экологически чистом способе получения также стоит очень дорого.
Поездам и кораблям тоже нужен чистый источник энергии с высокой плотностью.
Натриевая топливная ячейка разрешает противоречия
Так утверждают авторы разработки в статье, опубликованной в научном издании Joule.
- Натрий обеспечивает плотность хранения энергии порядка 1500 Вт·ч/кг. Учитывая вес оболочки ячейки и других частей, это на практике обеспечивает уровень 1000 Вт·ч/кг.
- Натрий в природе встречается в изобилии в форме морской соли, и технология его производства хорошо отработана. Мало кто знает, но в 20 веке человечество производило его сотнями тысяч тонн в год – этот металл использовался как промежуточный ингредиент в реакции получения тетраэтилсвинца, добавки к бензину.
Есть также побочные полезные эффекты для экологии. В процессе реакции из воздуха поглощается углекислый газ, так что самолет, работающий на натрие, будет очищать воздух от парниковых газов, а не загрязнять его.
Когда самолет летит над водоемом, пищевая сода из его выхлопа будет попадать в воду и ощелачивать ее. Так авиация сможет снизить и вредный эффект повышения уровня кислотности океана – следствие глобального потепления.
Немного о минусах
Авторы разработки мало говорят о подводных камнях – которые наверняка есть и их придется преодолеть. Одна сложность в том, что для работы ячейки годится не любой воздух: в нем должно быть достаточное содержание влаги, чтобы растворять соду, иначе ее не удастся вывести наружу.
Не вполне понятно с безопасностью – натрий загорается при контакте с водой. Авторы исследования уверяют, что воды в воздухе содержится слишком мало, чтобы это вызвало реальную опасность. В любом случае, натриевые ячейки безопаснее литий-ионных или натрий-ионных аккумуляторов.
Какие еще сложности могут всплыть, мы не знаем. Знаем лишь, что металл-воздушные аккумуляторы раньше уже пытались создать, и их главной проблемой оказалась недолговечность и потеря мощности с каждой новой перезарядкой.
Цель №1 – большой дрон
Команда исследователей образовала стартап Propel Aero, чтобы доказать жизнеспособность своей разработки. Для начала они хотят создать ячейку емкостью 1000 Вт·ч, которая была бы пригодна для серийного производства и могла питать энергией большой дрон – скажем, для применения в сельском хозяйстве.