Um den Verkehrssektor klimaneutral zu machen, sollen fossile Brennstoffe so weit wie möglich durch elektrische Antriebslösungen ersetzt werden. Doch bei Schiffen und Flugzeugen ist das mit bisherigen Technologien kaum möglich. Denn die heute verfügbaren Batterien sind zu schwer im Verhältnis zu der von ihnen gespeicherten Energie. Beispielsweise liefert eine Lithium-Ionen-Batterie, wie sie in Elektroautos zum Einsatz kommt, nur etwa 300 Wattstunden pro Kilogramm. „Die Schwelle, die man für eine realistische elektrische Luftfahrt braucht, liegt bei etwa 1.000 Wattstunden pro Kilogramm“, sagt Yet-Ming Chiang vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge.
Brennstoffzelle mit Natrium
Gemeinsam mit einem Team um Erstautorin Karen Sugano hat Chiang eine Technologie entwickelt, die in der Lage ist, diese Schwelle zu überschreiten. Dazu setzten die Forschenden auf flüssiges Natrium, das mit Luft reagiert und dabei Energie erzeugt. „Die Energiedichte, die man mit Metall-Luft-Batterien erreichen kann, ist schon lange bekannt und äußerst attraktiv, aber in der Praxis wurde sie nie realisiert“, sagt Chiang. Denn anders als Lithium-Ionen-Akkus lassen sich Natrium-Luft-Batterien nur schlecht wieder aufladen. Doch für das Konzept von Sugano und ihren Kollegen ist ein Aufladen nicht nötig. Denn statt einer Batterie, die ein geschlossenes System bildet, entwickelten sie eine Brennstoffzelle, bei der der Brennstoff – in diesem Fall flüssiges Natrium – zwar verbraucht wird, aber auch unkompliziert wieder nachgefüllt werden kann.
Einer der Prototypen des Forschungsteams besteht aus zwei vertikalen Glasröhren, die in der Mitte durch ein Rohr mit einem festen keramischen Elektrolytmaterial verbunden sind, sodass die Brennstoffzelle ein H bildet. Auf der einen Seite befindet sich flüssiges Natrium, die andere Seite wird von Luft durchströmt, die Sauerstoffatome für die in der Mitte stattfindende Reaktion liefert. Für einen anderen Prototypen gestalteten die Forschenden die Brennstoffzelle in Form einer flachen Schale. In beiden Fällen reagiert das Natrium mit dem Sauerstoff und der Luftfeuchtigkeit zu Natriumhydroxid (NaOH) und erzeugt dabei Energie, die beispielsweise für den Antrieb eines Motors genutzt werden kann.
Fliegen für die Umwelt?
Eine einzelne Brennstoffzelle erzeugte auf diese Weise fast 1700 Wattstunden pro Kilogramm. Integriert in ein vollständiges System wären es den Forschenden zufolge immer noch über 1000 Wattstunden pro Kilogramm. Für einen Transatlantikflug reicht das zwar noch nicht, doch für kürzere Strecken, vor allem für Inlandsflüge, könnte die Technik in Frage kommen. Damit ließen sich rund 30 Prozent der Emissionen aus dem Luftfahrtsektor einsparen. Doch nicht nur das: Die Nebenprodukte, die bei der Reaktion entstehen, können sogar CO2 aus der Atmosphäre filtern. Denn das Natriumhydroxid reagiert mit CO2 zu Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3), auch bekannt als Natron. Gelangt dieses in den Ozean, kann es dort zudem der Übersäuerung entgegenwirken. „Das ist eine natürliche Kaskade von Reaktionen, die spontan abläuft“, erklärt Chiang. „Wir müssen dafür nichts tun, wir müssen nur mit dem Flugzeug fliegen.“
