Die Speicherkapazität von Batterien stößt an ihre Grenzen und behindert die Elektrifizierung von Verkehrsmitteln wie Flugzeugen und Zügen erheblich. Forscher des MIT und anderer Institutionen haben nun eine neue Lösung entwickelt – eine neuartige Brennstoffzelle –, die die Entwicklung der Elektromobilität in der Luftfahrt vorantreiben soll.

Diese Brennstoffzelle ist keine herkömmliche Batterie; sie muss nicht geladen, sondern nur befüllt werden. Ihr Brennstoff ist das kostengünstige und reichlich vorhandene flüssige Natriummetall. Auf der einen Seite befindet sich normale Luft, in der Mitte ein festes Keramikmaterial als Elektrolyt. Eine poröse Luftelektrode unterstützt die Reaktion von Natrium und Sauerstoff zur Stromerzeugung. Forscher haben anhand eines Prototyps gezeigt, dass die Energiedichte der Brennstoffzelle pro Gewichtseinheit mehr als dreimal so hoch ist wie die aktueller Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift *Joule* veröffentlicht. Zu den Autoren gehören die MIT-Doktoranden Karen Sugano und Sunil Mair sowie der Professor für Materialwissenschaften und Werkstofftechnik, Yet-Ming Chiang.

Professor Jiang, Keramikprofessor bei Kyocera, erklärte, diese Technologie berge revolutionäres Potenzial. Im Luftfahrtbereich könne die Steigerung der Energiedichte der Schlüssel zur großflächigen Anwendung von Elektroflugzeugen sein. Er wies darauf hin, dass die für die Elektrofliegerei erforderliche Energiedichte bei etwa 1000 Wattstunden pro Kilogramm liege, was derzeit weit unter der von Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen liege. Mit 1000 Wattstunden pro Kilogramm ließe sich die regionale Elektrofliegerei realisieren, die etwa 80 % der Inlandsflüge und 30 % der Emissionen des Luftverkehrs abdecken würde. Auch die Schifffahrt und der Schienenverkehr würden von dieser Technologie profitieren.

Die vollständige Wiederaufladbarkeit von Lithium-Luft- und Natrium-Luft-Batterien stellte in den letzten dreißig Jahren eine große Herausforderung für deren Entwicklung dar. Forschern ist es nun gelungen, die Batterie in eine Brennstoffzelle umzuwandeln und damit einen deutlichen Vorteil in der Energiedichte zu erzielen. Sie entwickelten zwei Prototypen im Labormaßstab: eine H-förmige Batterie und eine horizontale Variante. Tests ergaben, dass die Energiedichte eines einzelnen „Kamins“ fast 1700 Wattstunden pro Kilogramm erreichte, während das Gesamtsystem über 1000 Wattstunden erzielte.

Forscher stellen sich vor, dass in Flugzeugen ein Treibstoffpaket mit einer Brennstoffzelle eingesetzt werden könnte, in der Natriummetall Energie liefert und Reaktionen durchläuft. Die entstehenden Nebenprodukte würden über das Heck abgegeben, ohne Kohlendioxid zu produzieren. Die Emissionen könnten sogar atmosphärisches Kohlendioxid absorbieren und den Säuregehalt des Meerwassers reduzieren. Darüber hinaus ist diese neue Brennstoffzelle sicherer, da sie nur auf einer Seite Luft enthält und so die Nähe zweier hochkonzentrierter Reaktanten verhindert wird.

Aktuell handelt es sich bei dem Gerät um einen kleinen Einzelzellen-Prototyp, doch Professor Jiang erklärte, dass er sich problemlos für die kommerzielle Anwendung skalieren lasse. Das Forschungsteam hat Propel Aero gegründet, um diese Technologie weiterzuentwickeln; das Unternehmen ist im Startup-Inkubator „The Engine“ des MIT ansässig. Die Herstellung von ausreichend metallischem Natrium für eine breite Anwendung ist machbar, da Natrium, hauptsächlich aus Kochsalz gewonnen, reichlich vorhanden, weit verbreitet und leicht zu gewinnen ist. Das Team plant ein System mit einem wiederbefüllbaren Speichertank und möchte zunächst eine Brennstoffzelle in Ziegelsteingröße herstellen. Eine Demonstration ist für das nächste Jahr geplant. Sugano betonte die Bedeutung von Wasser im Reaktionsprozess als eine der wichtigsten Entdeckungen. Ganti-Agrawal hob hervor, dass das Team Forschungsergebnisse aus verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen Teilbereichen integriert und dadurch eine signifikante Leistungssteigerung erzielt habe. Diese Forschung wurde von der Advanced Research Projects Agency (ARPA) des US-Energieministeriums finanziert und nutzte die Einrichtungen des MIT Center for Nanotechnology.