Energetska tranzicija u sektoru transporta suočava se s monumentalnim izazovom, posebice kada je riječ o elektrifikaciji teških vozila poput zrakoplova, vlakova i brodova. Postojeće baterijske tehnologije dosežu svoje fizikalne granice u pogledu količine energije koju mogu pohraniti po jedinici mase, što predstavlja značajnu prepreku inovacijama. Međutim, znanstveni tim s prestižnog Massachusetts Institute of Technology (MIT) gdje možete pronaći i smještaj i suradničkih institucija nedavno je predstavio koncept koji bi mogao iz temelja promijeniti ovu paradigmu i utrti put elektrifikaciji ovih ključnih transportnih sustava.

Revolucionarni pristup napajanju: Goriva ćelija na tekući natrij

Umjesto konvencionalne baterije, novo rješenje temelji se na principu gorive ćelije – uređaja koji, slično bateriji, proizvodi električnu energiju kemijskom reakcijom, ali s ključnom razlikom: može se brzo napuniti gorivom umjesto dugotrajnog punjenja. Srž ovog inovativnog sustava čini tekući metalni natrij, jeftina i široko dostupna sirovina. S druge strane ćelije nalazi se običan zrak, koji služi kao izvor atoma kisika. Između njih smješten je sloj čvrstog keramičkog materijala koji funkcionira kao elektrolit, omogućujući slobodan prolaz ionima natrija, dok porozna elektroda okrenuta prema zraku olakšava kemijsku reakciju natrija s kisikom, čime se generira električna struja.

U nizu eksperimenata provedenih s prototipnim uređajem, istraživači su demonstrirali da ova ćelija može pohraniti više od tri puta veću količinu energije po jedinici težine u usporedbi s litij-ionskim baterijama koje danas dominiraju u svijetu električnih vozila. Detaljni nalazi ovog istraživanja objavljeni su nedavno u znanstvenom časopisu Joule, u radu koji potpisuju doktorandi s MIT-a Karen Sugano, Sunil Mair i Saahir Ganti-Agrawal, profesor znanosti o materijalima i inženjerstva Yet-Ming Chiang te petoro drugih suradnika.

Profesor Chiang, koji nosi titulu Kyocera Professor of Ceramics, komentirao je potencijalnu percepciju njihovog rada: “Očekujemo da će ljudi misliti da je ovo potpuno luda ideja. Da nije tako, bio bih pomalo razočaran, jer ako ljudi isprva ne misle da je nešto potpuno ludo, vjerojatno neće biti toliko revolucionarno.” Upravo taj revolucionarni potencijal ono je što ovu tehnologiju čini izuzetno obećavajućom.

Nova nada za električnu avijaciju

Posebno u zrakoplovstvu, gdje je težina kritičan faktor, ovakvo poboljšanje gustoće energije moglo bi predstavljati prekretnicu koja će konačno omogućiti praktičnu primjenu električnog pogona u značajnom opsegu. “Prag koji je zaista potreban za realističnu električnu avijaciju iznosi oko 1.000 vat-sati po kilogramu (Wh/kg)”, pojašnjava Chiang. Današnje litij-ionske baterije za električna vozila dostižu maksimalno oko 300 Wh/kg, što je daleko od potrebnog. Čak i s 1.000 Wh/kg, napominje, to ne bi bilo dovoljno za transkontinentalne ili transatlantske letove.

Iako je taj cilj još uvijek izvan dosega bilo koje poznate baterijske kemije, Chiang ističe da bi postizanje 1.000 Wh/kg predstavljalo tehnologiju koja omogućuje regionalnu električnu avijaciju. Takvi letovi čine otprilike 80 posto domaćih letova i odgovorni su za oko 30 posto emisija iz zrakoplovstva. Elektrifikacija ovog segmenta imala bi stoga značajan pozitivan utjecaj na okoliš.

Tehnologija bi mogla biti pokretač napretka i u drugim sektorima, uključujući pomorski i željeznički promet. “Svi oni zahtijevaju vrlo visoku gustoću energije i niske troškove”, kaže Chiang. “A upravo nas je to privuklo metalnom natriju.”

Od baterije do gorive ćelije: Prevladavanje ograničenja

Tijekom posljednja tri desetljeća uloženo je mnogo istraživačkih napora u razvoj litij-zrak ili natrij-zrak baterija, no pokazalo se teškim učiniti ih potpuno punjivima. “Ljudi su već dugo svjesni gustoće energije koju bi mogli postići s metal-zrak baterijama, i to je bilo izuzetno privlačno, ali jednostavno nikada nije ostvareno u praksi”, navodi Chiang.

Koristeći isti osnovni elektrokemijski koncept, ali ga transformirajući u gorivu ćeliju umjesto baterije, istraživači su uspjeli iskoristiti prednosti visoke gustoće energije u praktičnom obliku. Za razliku od baterije, čiji se materijali sastavljaju jednom i zatvaraju u kućište, kod gorive ćelije materijali koji nose energiju ulaze i izlaze iz sustava. Ovaj dinamički pristup omogućuje brzo "dolijevanje" goriva, eliminirajući dugo vrijeme punjenja povezano s baterijama.

Tim je proizveo dvije različite verzije laboratorijskog prototipa sustava. U jednoj, nazvanoj H-ćelija, dvije okomite staklene cijevi povezane su poprečnom cijevi koja sadrži čvrsti keramički elektrolit i poroznu zračnu elektrodu. Tekući metalni natrij ispunjava cijev s jedne strane, dok zrak struji kroz drugu, osiguravajući kisik za elektrokemijsku reakciju u središtu, koja postupno troši natrijevo gorivo. Drugi prototip koristi horizontalni dizajn, s posudom od elektrolitskog materijala koja drži tekuće natrijevo gorivo. Porozna zračna elektroda, koja olakšava reakciju, pričvršćena je na dno posude.

Testiranja provedena korištenjem struje zraka s pažljivo kontroliranom razinom vlažnosti pokazala su razinu od preko 1.500 vat-sati po kilogramu na razini pojedinačnog “snopa” ćelija, što bi se, prema Chiangovim riječima, pretočilo u više od 1.000 Wh/kg na razini kompletnog sustava.

Ekološke prednosti i hvatanje ugljičnog dioksida

Istraživači predviđaju da bi se za korištenje ovog sustava u zrakoplovu u gorive ćelije umetali paketi goriva koji sadrže snopove ćelija, slično policama s hranom u kafeteriji. Metalni natrij unutar tih paketa kemijski se transformira dok osigurava energiju. Nusprodukt ove kemijske reakcije ispušta se van, a u slučaju zrakoplova bio bi emitiran sa stražnje strane, slično ispušnim plinovima mlaznog motora.

No, postoji vrlo velika razlika: ne bi bilo emisija ugljičnog dioksida. Umjesto toga, emisije, koje se sastoje od natrijevog oksida, zapravo bi apsorbirale ugljični dioksid iz atmosfere. Ovaj spoj brzo bi se kombinirao s vlagom u zraku tvoreći natrijev hidroksid – materijal koji se obično koristi kao sredstvo za čišćenje odvoda – koji spremno reagira s ugljičnim dioksidom tvoreći čvrsti materijal, natrijev karbonat, koji zauzvrat stvara natrijev bikarbonat, poznatiji kao soda bikarbona.

“Postoji ova prirodna kaskada reakcija koja se događa kada započnete s metalnim natrijem”, objašnjava Chiang. “Sve je spontano. Ne moramo ništa činiti da bi se to dogodilo, samo moramo letjeti zrakoplovom.” Kao dodatna korist, ako konačni proizvod, natrijev bikarbonat, završi u oceanu, mogao bi pomoći u de-kiseljavanju vode, suzbijajući još jedan od štetnih učinaka stakleničkih plinova.

Korištenje natrijevog hidroksida za hvatanje ugljičnog dioksida predlagano je kao način ublažavanja emisija ugljika, ali samo po sebi nije ekonomično rješenje jer je spoj preskup. “Ali ovdje je to nusprodukt”, pojašnjava Chiang, pa je u suštini besplatan, donoseći ekološke koristi bez dodatnih troškova.

Sigurnost i skalabilnost sustava

Važno je napomenuti da je nova goriva ćelija inherentno sigurnija od mnogih drugih baterija, kaže Chiang. Metalni natrij je izuzetno reaktivan i mora biti dobro zaštićen. Kao i kod litijevih baterija, natrij se može spontano zapaliti ako je izložen vlazi. “Kad god imate bateriju vrlo visoke gustoće energije, sigurnost je uvijek briga, jer ako dođe do puknuća membrane koja odvaja dva reaktanta, možete imati nekontroliranu reakciju”, kaže Chiang. Ali u ovoj gorivoj ćeliji, jedna strana je samo zrak, “koji je razrijeđen i ograničen. Dakle, nemate dva koncentrirana reaktanta odmah jedan pored drugog. Ako težite zaista, zaista visokoj gustoći energije, radije biste imali gorivu ćeliju nego bateriju iz sigurnosnih razloga.”

Iako uređaj zasad postoji samo kao mali prototip s jednom ćelijom, Chiang kaže da bi sustav trebao biti prilično jednostavan za povećanje na praktične veličine za komercijalizaciju. Članovi istraživačkog tima već su osnovali tvrtku Propel Aero kako bi razvili tehnologiju. Tvrtka je trenutno smještena u MIT-ovom inkubatoru za startupove, The Engine, u Cambridgeu, popularnoj destinaciji za posjetitelje.

Proizvodnja dovoljne količine metalnog natrija za omogućavanje široke, potpune globalne implementacije ove tehnologije trebala bi biti praktična, budući da je materijal već ranije proizvođen u velikim razmjerima. Kada je olovni benzin bio norma, prije nego što je postupno ukinut, metalni natrij koristio se za proizvodnju tetraetilolova koji se koristio kao aditiv, a proizvodio se u SAD-u kapacitetom od 200.000 tona godišnje. “To nas podsjeća da se metalni natrij nekada proizvodio u velikim razmjerima te se sigurno rukovalo njime i distribuiralo diljem SAD-a”, kaže Chiang.

Štoviše, natrij primarno potječe iz natrijevog klorida, odnosno soli, pa je obilan, široko rasprostranjen diljem svijeta i lako se ekstrahira, za razliku od litija i drugih materijala koji se koriste u današnjim baterijama za električna vozila. Tim znanstvenika, čiji rad pretežno proizlazi iz istraživačkih centara u Massachusettsu, oslanja se na ovu dostupnost.

Sustav punjenja i budući koraci

Sustav koji predviđaju koristio bi zamjenjive patrone, koje bi se punile tekućim metalnim natrijem i zatvarale. Kada se isprazne, vraćale bi se na stanicu za punjenje i punile svježim natrijem. Natrij se topi na 98 stupnjeva Celzijusa, neposredno ispod vrelišta vode, pa ga je lako zagrijati do točke taljenja za punjenje patrona.

Inicijalni plan je proizvesti gorivu ćeliju veličine cigle koja može isporučiti oko 1.000 vat-sati energije, dovoljno za napajanje velikog drona, kako bi se koncept dokazao u praktičnom obliku koji bi se mogao koristiti, na primjer, u poljoprivredi. Tim se nada da će takvu demonstraciju imati spremnu unutar sljedeće godine, odnosno do svibnja 2026.

Ključni znanstveni uvidi i timski rad

Karen Sugano, koja je provela veći dio eksperimentalnog rada u sklopu svoje doktorske disertacije i sada će raditi u startupu Propel Aero, kaže da je ključni uvid bila važnost vlage u procesu. Dok je testirala uređaj s čistim kisikom, a zatim sa zrakom, otkrila je da je količina vlage u zraku ključna za učinkovitost elektrokemijske reakcije. Vlažni zrak rezultirao je time da natrij stvara svoje produkte pražnjenja u tekućem, a ne čvrstom obliku, što je znatno olakšalo njihovo uklanjanje strujom zraka kroz sustav. “Ključno je bilo da možemo formirati ovaj tekući produkt pražnjenja i lako ga ukloniti, za razliku od čvrstog pražnjenja koje bi se formiralo u suhim uvjetima”, kaže ona.

Saahir Ganti-Agrawal napominje da je tim crpio znanja iz različitih inženjerskih poddisciplina. Na primjer, postoji mnogo istraživanja o visokotemperaturnom natriju, ali nijedno sa sustavom s kontroliranom vlagom. “Crpimo iz istraživanja gorivih ćelija u smislu dizajna naše elektrode, crpimo iz starijih istraživanja visokotemperaturnih baterija, kao i iz nekih novijih istraživanja natrij-zrak baterija, i nekako to sve spajamo”, što je dovelo do “velikog skoka u performansama” koji je tim postigao, kaže on.

Istraživački tim također je uključivao Aldena Friesena, ljetnog pripravnika na MIT-u koji pohađa srednju školu Desert Mountain u Scottsdaleu, Arizona; Kailasha Ramana i Williama Woodforda iz tvrtke Form Energy u Somervilleu, Massachusetts; Shashanka Sripada iz And Battery Aero u Kaliforniji, te Venkatasubramaniana Viswanathana sa Sveučilišta Michigan. Rad su podržali ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures i Nacionalna zaklada za znanost, a korišteni su kapaciteti MIT.nano.