Ένας νέος τύπος κυψέλης καυσίμου που λειτουργεί με μεταλλικό νάτριο θα μπορούσε κάποια μέρα να συμβάλει στην αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων σε μέσα — όπως ο σιδηρόδρομος, η αεροπορία και η ναυτιλία μικρών αποστάσεων. Η νέα αυτή τεχνολογία διαφέρει από προηγούμενες, όπως οι μπαταρίες λιθίου και μοιάζει περισσότερο εννοιολογικά με τα συστήματα κυψελών καυσίμου υδρογόνου. 

Η κυψέλη καυσίμου νατρίου-αέρα σχεδιάστηκε από ομάδα με επικεφαλής τον Γιέτ-Μινγκ Τσιάνγκ, καθηγητή επιστήμης και μηχανικής υλικών στο MIT. Έχει μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου και δεν απαιτεί τις υπερβολικά χαμηλές θερμοκρασίες ή τις υψηλές πιέσεις που χρειάζεται το υδρογόνο, γεγονός που την καθιστά δυνητικά πιο πρακτική για χρήση στις μεταφορές. «Μας ενδιαφέρει το μεταλλικό νάτριο ως φορέας ενέργειας του μέλλοντος» υποστηρίζει ο Τσιάνγκ. 

Ο σχεδιασμός της συσκευής σχετίζεται με την τεχνολογία πίσω από μία από τις εταιρείες του Τσιάνγκ, τη Form Energy, η οποία κατασκευάζει μπαταρίες σιδήρου-αέρα για μεγάλες εγκαταστάσεις αποθήκευσης ενέργειας — όπως εκείνες που θα μπορούσαν να αποθηκεύουν ενέργεια από τον άνεμο και τον ήλιο στο δίκτυο. Οι μπαταρίες της Form βασίζονται σε νερό, σίδηρο και αέρα. 

Μία από τις τεχνικές προκλήσεις για τις μπαταρίες μετάλλου-αέρα ήταν παραδοσιακά η “αναστρεψιμότητα”. Οι χημικές αντιδράσεις μιας μπαταρίας πρέπει να αντιστρέφονται εύκολα, ώστε προς μία κατεύθυνση να παράγουν ηλεκτρισμό (εκφόρτιση της μπαταρίας) και προς την άλλη να εισάγεται ηλεκτρικό ρεύμα για να φορτίσει ξανά. 

Όταν οι αντιδράσεις παράγουν ένα πολύ σταθερό προϊόν, η επαναφόρτιση μπορεί να είναι δύσκολη χωρίς να μειωθεί η χωρητικότητα της μπαταρίας. Για να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα, η ομάδα της Form συζήτησε το ενδεχόμενο οι μπαταρίες να γίνουν επανατροφοδοτούμενες αντί για επαναφορτιζόμενες, όπως τονίζει ο Τσιάνγκ. Η ιδέα ήταν ότι αντί να αντιστρέφονται οι αντιδράσεις, θα μπορούσαν απλώς να λειτουργούν προς μία κατεύθυνση, να προστίθεται νέο καύσιμο και να επαναλαμβάνεται η διαδικασία. 

Τελικά η Form επέλεξε ένα πιο παραδοσιακό μοντέλο μπαταρίας, αλλά η ιδέα υλοποιείται από τον Τσιάνγκ, ο οποίος αποφάσισε να την εξερευνήσει συνδυασμούς με άλλα μέταλλα — και έτσι κατέληξε στην ιδέα μιας κυψέλης καυσίμου με βάση το νάτριο. 

Σε αυτήν τη μορφή κυψέλης καυσίμου, η συσκευή προσλαμβάνει χημικά και εκτελεί αντιδράσεις που παράγουν ηλεκτρισμό. Τα προϊόντα αφαιρούνται και προστίθεται νέο καύσιμο για να ξεκινήσει ξανά η διαδικασία — χωρίς να απαιτείται ηλεκτρική φόρτιση.  

Ο Τσιάνγκ και οι συνεργάτες του επιχείρησαν να κατασκευάσουν μια κυψέλη καυσίμου που λειτουργεί με υγρό νάτριο, το οποίο θα μπορούσε να έχει πολύ υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από τις υπάρχουσες εμπορικές τεχνολογίες — ώστε η συσκευή να είναι αρκετά μικρή και ελαφριά για χρήση σε περιφερειακά αεροσκάφη ή πλοία μικρών αποστάσεων. 

Η ερευνητική ομάδα κατασκεύασε μικρές δοκιμαστικές κυψέλες για να δοκιμάσει την ιδέα και τις έτρεξε, αποδεικνύοντας ότι μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν το σύστημα με βάση το μέταλλο νατρίου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Δεδομένου ότι το νάτριο γίνεται υγρό σε περίπου 98 °C (208 °F), οι κυψέλες λειτουργούσαν σε μέτριες θερμοκρασίες μεταξύ 110 °C και 130 °C (ή 230 °F και 266 °F), κάτι που θα μπορούσε να είναι πρακτικό για χρήση σε αεροπλάνα ή πλοία. 

Από τις δοκιμές με αυτές τις πειραματικές συσκευές, οι ερευνητές υπολόγισαν ότι η ενεργειακή πυκνότητα ήταν περίπου 1.200 (Wh/kg). Αυτό είναι πολύ υψηλότερο από την απόδοση των σημερινών εμπορικών μπαταριών ιόντων λιθίου που φτάνουν περίπου τα 300 Wh/kg. Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου μπορούν να πετύχουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, αλλά απαιτούν αποθήκευση του υδρογόνου σε υψηλές πιέσεις και συχνά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. 

«Είναι μια ενδιαφέρουσα ιδέα κυψέλης» επισημαίνει ο Γιούργκεν Γιάνεκ, καθηγητής στο Ινστιτούτο Φυσικής Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Γκίσεν στη Γερμανία. «Ένα από τα κρίσιμα ζητήματα με αυτού του είδους την κυψέλη είναι η ασφάλεια», τονίζει ο Γιάνεκ. Το νάτριο αντιδρά πολύ έντονα με το νερό. Όταν ρωτήθηκε σχετικά, ο Τσιάνγκ ανέφερε ότι ο σχεδιασμός της κυψέλης εξασφαλίζει τη συνεχή απομάκρυνση του νερού που παράγεται κατά τις αντιδράσεις, ώστε να μην υπάρχει αρκετό για να προκαλέσει επικίνδυνες αντιδράσεις. Επίσης ο στερεός ηλεκτρολύτης, ένα κεραμικό υλικό, βοηθά στην αποτροπή επαφής μεταξύ νατρίου και νερού. 

Ένα άλλο ερώτημα είναι τι γίνεται με ένα από τα παραπροϊόντα της κυψέλης: το υδροξείδιο του νατρίου. Γνωστό και ως καυστική σόδα, ένα βιομηχανικό χημικό που χρησιμοποιείται σε προϊόντα όπως τα υγρά καθαριστικά αποχετεύσεων. Μία από τις προτάσεις των ερευνητών είναι να αραιώνεται και να απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα ή στον ωκεανό, όπου θα αντιδρά με το διοξείδιο του άνθρακα, «παγιδεύοντάς» το σε σταθερή μορφή και εμποδίζοντάς το να συμβάλει στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Υπάρχουν ήδη ερευνητικές ομάδες που διεξάγουν επιτόπιες δοκιμές με αυτή τη χημική ουσία για την απορρόφηση άνθρακα από τους ωκεανούς, αν και ορισμένες έχουν προκαλέσει αντιδράσεις. Οι ερευνητές ανέφεραν επίσης τη δυνατότητα ύπαρξης ενός κλειστού συστήματος, στο οποίο το παραπροϊόν θα συλλέγεται και θα πωλείται. 

Υπάρχουν και οικονομικοί λόγοι που ευνοούν τα συστήματα νατρίου, αν και θα χρειαστεί κάποια προσπάθεια για την ανάπτυξη των απαραίτητων εφοδιαστικών αλυσίδων. Σήμερα, το μέταλλο νάτριο δεν παράγεται σε μεγάλες ποσότητες. Ωστόσο, μπορεί να παραχθεί από χλωριούχο νάτριο (το κοινό αλάτι), το οποίο είναι εξαιρετικά φθηνό. Και στο παρελθόν παράγονταν σε μεγαλύτερες ποσότητες, καθώς χρησιμοποιούνταν στην παραγωγή βενζίνης με μόλυβδο. Υπάρχει λοιπόν προηγούμενο για την ύπαρξη μιας μεγαλύτερης εφοδιαστικής αλυσίδας, και είναι πιθανό ότι η κλιμάκωση της παραγωγής νατρίου θα μπορούσε να το καταστήσει αρκετά φθηνό για χρήση σε κυψέλες καυσίμου, σύμφωνα με τον Τσιάνγκ. 

Ο Τσιάνγκ έχει συνιδρύσει μια εταιρεία με το όνομα Propel Aero για να μετατρέχει σε προϊόν το πειραματικό αποτέλεσμα. Το εγχείρημα χρηματοδοτήθηκε από το πρόγραμμα Propel-1K της ARPA-E, το οποίο στοχεύει στην ανάπτυξη νέων μορφών αποθήκευσης ενέργειας υψηλής ισχύος για αεροσκάφη, τρένα και πλοία. 

Το επόμενο βήμα είναι να συνεχιστεί η έρευνα για τη βελτίωση της απόδοσης και της ενεργειακής πυκνότητας των κυψελών, καθώς και να ξεκινήσει ο σχεδιασμός συστημάτων μικρής κλίμακας. Μια πιθανή αρχική εφαρμογή είναι τα drones.
«Θα θέλαμε να καταφέρουμε να πετάξουμε κάτι μέσα στον επόμενο χρόνο» δηλώνει ο Τσιάνγκ. 

*Με στοιχεία από το Τechnology Review.

 

➪ Ακολουθήστε το OLAFAQ στο Facebook, Bluesky και Instagram.