Ingenieure am MIT haben eine bahnbrechende Natrium-Luft-Brennstoffzelle entwickelt, die den elektrischen Transport revolutionieren könnte, indem sie mehr als die dreifache Energiemenge pro Gewichtseinheit im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien liefert. Dies könnte die Elektrifizierung von Flugzeugen, Schiffen und Zügen ermöglichen und gleichzeitig Kohlendioxid aus der Atmosphäre binden.
Die Natrium-Luft-Brennstoffzelle verwendet flüssiges Natrium als primäre Brennstoffquelle, was mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Batteriematerialien bietet. Natrium schmilzt bereits bei nur 98 Grad Celsius (unter dem Siedepunkt von Wasser), was die Handhabung in flüssiger Form für Betankungszwecke relativ einfach macht. Im Gegensatz zu Lithium ist Natrium weltweit reichlich vorhanden und wird hauptsächlich aus gewöhnlichem Salz (Natriumchlorid) gewonnen, was eine stabile und geopolitisch sichere Lieferkette gewährleistet. Diese Technologie sieht ein nachfüllbares Kartuschensystem vor, bei dem verbrauchte Natriumkartuschen zu Nachfüllstationen zurückgebracht und mit frischem Natriummetall wieder befüllt werden, also ähnlich wie derzeit Fahrzeuge betankt werden, jedoch ohne die Kohlenstoffemissionen.
Die Praxistauglichkeit des Systems wird durch Präzedenzfälle gestützt: Natrium wurde einst in den Vereinigten Staaten in industriellem Maßstab von 200.000 Tonnen jährlich zur Herstellung von Tetraethylblei-Zusätzen in Benzin produziert, was zeigt, dass eine großtechnische Produktion und sichere Handhabung möglich sind. Über seine Energiespeicherfähigkeiten hinaus erzeugt die Natrium-Luft-Reaktion Natriumoxid, das anschließend mit atmosphärischer Feuchtigkeit und Kohlendioxid zu Natriumbicarbonat (Backpulver) reagiert, wodurch effektiv Kohlenstoff aus der Luft gebunden und potenziell ein kohlenstoffnegatives Transportsystem geschaffen wird.
Kohlenstoffabscheidungstechnologie reduziert nicht nur den atmosphärischen CO₂-Gehalt, sondern schafft auch wertvolle Nebenprodukte. Abgefangener Kohlenstoff kann in Essigsäure umgewandelt werden, die zur Herstellung von Farben, Beschichtungen und Klebstoffen verwendet wird – eine nachhaltige Alternative zu methanolbasierten Produkten aus fossilen Brennstoffen, die 1,6 kg CO₂-Emissionen pro produziertem Kilogramm Essigsäure verhindert. In einem weiteren Durchbruch entwickelten Forscher der University of Illinois Chicago ein Verfahren, das 100 % des abgeschiedenen industriellen CO₂ durch Elektrolyse in Ethylen (einen wichtigen Baustein für Kunststoffe) und andere kohlenstoffbasierte Brennstoffe umwandelt, wodurch potenziell 6 metrische Tonnen CO₂ in 1 metrische Tonne Ethylen recycelt werden können.
Weitere vielversprechende Anwendungen umfassen die Produktion von blauem Wasserstoff durch Reformierung von Erdgas mit Kohlenstoffabscheidung, Baumaterialien, die CO₂ dauerhaft binden, sowie synthetische Kraftstoffe für die Luftfahrt, wo Alternativen begrenzt sind. Allerdings sind Kohlenstoffabscheidungsprozesse nicht ohne Nachteile – bei der Abscheidung verwendete Amin-Lösungsmittel können zu potenziell schädlichen Nebenprodukten abgebaut werden, und die verstärkte Ölförderung mit abgeschiedenem Kohlenstoff bleibt hinsichtlich ihres tatsächlichen Klimanutzen umstritten.
Die an MIT entwickelte Natrium-Luft-Brennstoffzelle weist eine bemerkenswerte Energiedichte von über 1.500 Wattstunden pro Kilogramm auf Stack-Ebene auf, was für das Gesamtsystem mehr als 1.000 Wattstunden pro Kilogramm bedeutet. Dies stellt eine Verbesserung um den Faktor drei gegenüber den heutigen Lithium-Ionen-Batterien dar, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden und ihre theoretischen Grenzen hinsichtlich des Leistungs-Gewichts-Verhältnisses erreicht haben. Dieser Durchbruch ist besonders bedeutsam für die Luftfahrt, da der Schwellenwert von 1.000 Wattstunden pro Kilogramm weithin als essenziell für praktische elektrische Regionalflüge gilt, die etwa 80 % des inländischen Flugverkehrs ausmachen.
Die Technologie erreicht diese überlegene Energiedichte durch ein innovatives Design, bei dem flüssiges Natriummetall auf der einen Seite als Brennstoff dient und gewöhnliche Luft auf der anderen Seite Sauerstoff liefert, wobei sich dazwischen eine keramische Elektrolytschicht befindet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien, die feste Energiemengen speichern, kann diese Brennstoffzelle schnell betankt statt aufgeladen werden, was sie besonders für Transportanwendungen geeignet macht, bei denen das Gewicht eine entscheidende Rolle spielt. Die Forscher validierten diese Leistungskennzahlen durch rigorose Tests von zwei Prototyp-Designs – einer H-Zellen-Konfiguration und einem horizontalen Tablett-Design – unter sorgfältig kontrollierten Feuchtigkeitsbedingungen.