В условиях, когда традиционные аккумуляторы все ближе к пределу своих возможностей по уровню плотности энергии, команда американских ученых разработала принципиально новый тип топливного элемента, в котором в качестве топлива используется жидкий металлический натрий и воздух. Такая система способна обеспечивать втрое большую энергоемкость на единицу массы, чем современные литий-ионные батареи, которые применяются, например, в электромобилях.
В отличие от обычных батарей, такой топливный элемент можно не заряжать, а просто заправлять — как обычный двигатель. С одной стороны системы находится жидкий натрий, с другой — воздух, из которого поступает кислород. Между ними размещен слой керамического электролита, сквозь который могут проходить ионы натрия, и пористый электрод, который способствует реакции между натрием и кислородом. В ходе этой реакции вырабатывается электричество, причем ее побочные продукты не то что безвредны, но даже полезны для экологии.
В лабораторных испытаниях прототип устройства показал совершенно выдающиеся результаты: до 1700 ватт-часов на килограмм — это превышает требуемый минимум в 1000 ватт-часов, который, по мнению экспертов, откроет путь к электрической авиации регионального уровня. Для сравнения, современные батареи достигают лишь 300 ватт-часов на килограмм, чего для полетов, особенно на дальние расстояния, явно недостаточно. Но новая технология может обеспечить до 80% внутренних рейсов, значительно снизив выбросы углерода в авиации.
Преимущества системы не ограничиваются одной лишь высокой энергоемкостью. Побочные продукты реакции включают в себя оксид натрия, который, вступая в реакцию с влагой, образует гидроксид натрия — вещество, которое активно поглощает углекислый газ из атмосферы. В результате получается сода — безопасное вещество, которое присутствует в почве, широко применяется в самых разных отраслях промышленности и в быту. Если такой побочный продукт попадет в океан, он поможет снизить кислотность воды — это еще один важный экологический бонус. При этом затраты на улавливание углекислого газа фактически равны нулю, так как оно будет происходить естественным образом во время работы системы.
Разработчики подчеркивают, что топливный элемент на основе натрия однозначно безопаснее традиционных батарей. Натрий является крайне реактивным веществом, но одна из сторон топливного элемента содержит лишь воздух, а не концентрированный реагент. Такое строение батареи снижает риск неконтролируемой реакции и делает систему максимально устойчивой к возможным аварийным ситуациям.
Прототип нового топливного элемента пока что существует лишь в виде небольшой лабораторной модели, но ученые уверены, что осуществить масштабирование устройства будет несложно. Уже создан стартап Propel Aero, который займется коммерческим развитием технологии. Первая цель — создать топливный элемент размером с кирпич, который сможет питать крупный дрон. Такой демонстрационный образец планируют представить в течение года.
Отдельного внимания заслуживает сырье — натрий. В отличие от лития, добыча которого ограничена географически и затратна с финансовой и экологической точек зрения, натрий является компонентом поваренной соли и его можно легко получать практически в неограниченных количествах.
По мнению одного из авторов работы, профессора Йет-Минга Чианга, идея кажется «совершенно безумной», и в этом ее сила. Именно такие, необычные и радикальные решения способны привести к настоящим технологическим прорывам. И, возможно, уже в ближайшем будущем мы увидим самолеты и поезда, работающие на топливе, которое не то, что не загрязняет окружающую среду, но наоборот, очищает ее.
Ранее ученые выяснили, почему нас так сильно раздражает шум новых двигателей.