Natrium als E-Fuel für Flugzeuge

Herkömmliche Batterien werden immer effizienter und liefern inzwischen genug Strom für E-Autos und sogar für erste elektrisch betriebene LKWs. Doch für elektrische Passagierflugzeuge oder Binnenschiffe reicht die Stromausbeute bei Weitem nicht aus. Diese Hürde könnte nun eine Brennstoffzelle überwinden, die flüssiges Natrium als Treibstoff nutzt. Wie ein Forschungsteam im Fachblatt „Joule“ berichtet, erreicht sie rund die vierfache Energiedichte als die derzeit besten Lithium-Ionen-Batterien.

Für ihre neue Brennstoffzelle griffen Karen Sugano und Yet-Ming Chiang mit ihrem Team am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge auf die chemische Reaktion von Natrium mit Sauerstoff und Wasserdampf zurück. Dabei geben die Natriumatome Elektronen ab, die sich über eine Elektrode abgreifen lassen. So erhält man einen nutzbaren, elektrischen Strom. Diese Reaktion wird bereits in Natrium-Luft-Batterien angewendet, die sich jedoch kaum wieder aufladen lassen. Statt einer wiederaufladbaren Batterie wählten die Forschenden deshalb einen Aufbau, in dem sie der Brennstoffzelle immer wieder frisches Natrium zuführten.

In ihrem Labor fertigten sie mehrere Prototypen der Zelle. In eine kleine Kammer füllten sie Natrium, das ab 98 Grad Celsius flüssig wird. Durch eine zweite Kammer strömte Luft, die Sauerstoff und Feuchtigkeit für die Reaktion lieferte. An einer Membran zwischen den Kammern lief dann die elektrochemische Reaktion ab.

Viermal mehr Energie als Batterien

Brennstoffzelle mit flüssigem Natrium

In mehreren Experimenten erreichte die Brennstoffzelle eine Energiedichte von über 1200 Wattstunden pro Kilogramm. Zum Vergleich: Die besten Lithium-Ionen-Batterien erreichen nur etwa 300 Wattstunden pro Kilogramm. Nach Berechnungen der Arbeitsgruppe könnten die Natrium-Brennstoffzellen damit genug Strom liefern, um Elektroflugzeuge mit bis zu 100 Passagieren auf der Mittelstrecke quer über einen Kontinent anzutreiben. Auch der Treibstoff ist verfügbar, denn Natrium kommt in zahlreichen Verbindungen zu Genüge vor – unter anderem in Kochsalz. Zudem ließe sich metallisches Natrium nach Schätzungen von Chiang und seinem Team über ein Elektrolyseverfahren im großen Maßstab für rund einen US-Dollar pro Kilogramm verhältnismäßig günstig gewinnen.

Im Unterschied zu Batterien stoßen Brennstoffzellen jedoch permanent Produkte der Reaktion aus. Risiken für Umwelt und Mensch sieht das Team um Yet-Ming Chiang allerdings nicht. Im Gegenteil: Denn die Abgase, fein verteiltes Natriumhydroxid, reagieren in der Luft weiter und binden das Treibhausgas Kohlendioxid. Für die Arbeitsgruppe um Sugano sind das allesamt gute Gründe, weiter an den Brennstoffzellen zu forschen – für die Luftfahrt der Zukunft.