Elektrisch fliegen mit Natrium

Cambridge (USA) - Lithium-Ionen-Batterien arbeiten immer effizienter und liefern genug Strom nicht nur für Personenfahrzeuge, sondern auch für erste Laster. Doch für einen elektrischen Antrieb von größeren, elektrischen Passagierflugzeugen oder Binnenschiffen reicht die Stromausbeute bei Weitem nicht aus. Diese Hürde könnte nun mit einer speziellen Brennstoffzelle überwunden werden, die mehr als die dreifache Energiedichte bietet als die derzeit besten Lithium-Ionen-Batterien. Wie die US-amerikanischen Forschenden im Fachblatt „Joule“ berichten, benötigt ihre Brennstoffzelle flüssiges Natriummetall als Treibstoff.

Grundlage der neuartigen Stromquelle ist die elektrochemische Reaktion von Natrium mit Sauerstoff und Wasserdampf. Dabei gibt jedes Natriumatom ein Elektron ab und es entsteht die Verbindung Natriumhydroxid. Die Elektronen lassen sich über eine Elektrode abgreifen und man erhält einen nutzbaren, elektrischen Strom. Diese Reaktion wird bereits in Natrium-Luft-Batterien angewendet. Doch steht deren Entwicklung noch ganz am Anfang und erste Prototypen lassen sich kaum wieder aufladen. Daher verzichten Karen Sugano, Yet-Ming Chiang mit ihrem Team am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge auf das Wiederaufladen. Stattdessen führten sie der Reaktion immer wieder frisches Natrium zu. So wandelte sich das geschlossene System einer Batterie zu dem offenen System einer Brennstoffzelle.

In ihrem Labor fertigten die Forschenden mehrere Prototypen einer Natrium-Brennstoffzelle. In einer kleinen Kammer füllte sie Natrium, dass ab 98 Grad Celsius verflüssigt. Durch eine zweite Kammer strömte Luft, um genug Sauerstoff unf Feuchtigkeit für die elektrochemische Reaktion zu liefern. Beide Kammern wurden mit einer festen Elektrolyt-Membran verknüpft, an der die elektrochemische Reaktion kontrolliert ablief. In mehreren Experimenten erreichte diese Brennstoffzelle eine Energiedichte von gut 1200 Wattstunden pro Kilogramm. Zum Vergleich: die besten Lithium-Ionen-Batterien bewegen sich bei deutlich geringeren Werten von etwa 300 Wattstunden pro Kilogramm.

Nach Berechnungen der Arbeitsgruppe könnten Natrium-Brennstoffzellen genug Strom liefern, um Elektro-Flugzeuge mit bis zu 100 Passagieren auf der Mittelstrecke quer über einen Kontinent anzutreiben. Nur für Langstrecken über die Ozeane wäre weiterhin Kerosin, das etwa die dreifache Energiedichte bietet, nötig. Auch an Natrium selbst mangelt es nicht, da dieses Metall in zahlreichen Verbindungen, darunter Kochsalz (Natriumchlorid) weltweit in großen Mengen verfügbar ist. Auch die Produktionskosten für metallisches Natrium – gewonnen über einen Elektrolyse-Prozess – hielten sich mit geschätzt einem US-Dollar pro Kilogramm in Grenzen.

Im Unterschied zu Batterien stoßen Brennstoffzellen jedoch permanent Produkte der elektrochemischen Reaktion aus. Risiken für Umwelt und Mensch sehen Yet-Ming Chiang und sein Team allerdings nicht. Im Gegenteil: Denn die „Abgase“ – ein Strom aus fein verteiltem Natriumhydroxid – reagieren in der Luft weiter und binden neben etwas Wasser auch das Treibhausgas Kohlendioxid. Dabei entsteht Natriumhydrogencarbonat, auch bekannt als Speisenatron oder Backpulver.

So fern in der Zukunft elektrische Flugzeuge mit Brennstoffzellen und Tanks für flüssiges Natrium aus heutiger Sicht liegen mögen, wollen Forschende aus der Arbeitsgruppe um Sugano dieses Brennstoffzellen-Konzept weiter optimieren. Dazu gründeten sie bereits ein Start-Up mit dem Namen Propel Aero.