یک سلول سوختی جدید می تواند هوانوردی الکتریکی را فعال کند

به جای باتری، مفهوم جدید نوعی پیل سوختی است – که شبیه باتری است اما می تواند به جای شارژ مجدد، سریعاً شارژ شود. در این مورد، سوخت فلز سدیم مایع است که یک کالای ارزان و در دسترس است. طرف دیگر سلول فقط هوای ساده است که به عنوان منبع اتم های اکسیژن عمل می کند. در بین آنها، لایه ای از مواد سرامیکی جامد به عنوان الکترولیت عمل می کند و به یون های سدیم اجازه عبور آزادانه می دهد و یک الکترود متخلخل رو به هوا به سدیم کمک می کند تا با اکسیژن واکنش شیمیایی بدهد و الکتریسیته تولید کند.

در یک سری آزمایش با یک دستگاه نمونه اولیه، محققان نشان دادند که این سلول می‌تواند بیش از سه برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم یونی که در تقریباً در تمام خودروهای الکتریکی امروزی استفاده می‌شود، انرژی حمل کند. یافته های آنها امروز در مجله منتشر شده است ژولدر گزارشی توسط دانشجویان دکترای MIT کارن سوگانو، سونیل مایر و سحیر گانتی آگراوال؛ پروفسور علم و مهندسی مواد اما مینگ چیانگ. و پنج مورد دیگر

چیانگ که استاد سرامیک در Kyocera است، می‌گوید: «ما از مردم انتظار داریم که فکر کنند این یک ایده کاملاً دیوانه‌کننده است. اگر این کار را نمی‌کردند، کمی ناامید می‌شدم، زیرا اگر مردم در ابتدا فکر نکنند چیزی کاملاً دیوانه‌کننده است، احتمالاً آنقدرها هم انقلابی نخواهد بود.»

و او پیشنهاد می‌کند که این فناوری پتانسیل انقلابی بودن را دارد. به طور خاص، برای هوانوردی، که وزن اهمیت ویژه‌ای دارد، چنین بهبودی در چگالی انرژی می‌تواند پیشرفتی باشد که در نهایت پرواز با انرژی الکتریکی را در مقیاس قابل توجهی عملی می‌کند.

چیانگ می‌گوید: «آستانه‌ای که واقعاً برای هوانوردی الکتریکی واقعی نیاز دارید، حدود 1000 وات ساعت در هر کیلوگرم است. باتری‌های لیتیوم یونی امروزی برای خودروهای برقی حدود 300 وات ساعت بر کیلوگرم تولید می‌کنند که بسیار کمتر از آنچه مورد نیاز است. او می گوید که حتی با 1000 وات ساعت در هر کیلوگرم، این برای اجازه پروازهای بین قاره ای یا فراآتلانتیک کافی نیست.

این هنوز فراتر از محدوده هر شیمی باتری شناخته شده ای است، اما چیانگ می گوید رسیدن به 1000 وات بر کیلوگرم یک فناوری مطلوب برای هوانوردی الکتریکی منطقه ای است که حدود 80 درصد پروازهای داخلی و 30 درصد از انتشار هوا را تشکیل می دهد.

فناوری همچنین می تواند عاملی در سایر بخش ها از جمله حمل و نقل دریایی و ریلی باشد. او می‌گوید: «همه آنها به چگالی انرژی بسیار بالایی نیاز دارند و همه آنها به هزینه کم نیاز دارند. و این چیزی است که ما را به سمت فلز سدیم کشاند.

در طول سه دهه گذشته، تحقیقات زیادی برای ساخت باتری‌های لیتیوم-هوا یا سدیم-هوا انجام شده است، اما ساخت آنها به طور کامل قابل شارژ کردن دشوار بوده است. چانگ می‌گوید: «مردم از چگالی انرژی که می‌توان با باتری‌های فلزی-هوا دریافت کرد، برای مدت طولانی آگاه بودند، و این بسیار جذاب است، اما در عمل هرگز متوجه آن نشده است.»

محققان با استفاده از همان مفهوم اولیه الکتروشیمیایی، تنها با تبدیل آن به سلول سوختی به جای باتری، توانستند از مزایای چگالی انرژی بالا به شکل عملی بهره ببرند. بر خلاف باتری که مواد آن یک بار جمع شده و در یک ظرف مهر و موم می شوند، در پیل سوختی مواد حامل انرژی به داخل و خارج می شوند.

این تیم دو نسخه مختلف از نمونه اولیه آزمایشگاهی این سیستم را ایجاد کردند. در یکی که سلول H نامیده می شود، دو لوله شیشه ای عمودی توسط یک لوله از وسط به هم متصل می شوند که حاوی یک ماده الکترولیت سرامیکی جامد و یک الکترود هوای متخلخل است. فلز سدیم مایع از یک طرف لوله را پر می کند و هوا از طرف دیگر جریان می یابد و اکسیژن را برای واکنش الکتروشیمیایی در مرکز فراهم می کند که در نهایت سوخت سدیم را به تدریج مصرف می کند. نمونه اولیه دیگر از یک طرح افقی با سینی از مواد الکترولیت حاوی سوخت سدیم مایع استفاده می کند. یک الکترود هوای متخلخل که واکنش را تسهیل می کند، به پایین سینی متصل می شود.

چیانگ می‌گوید، آزمایش‌هایی که با استفاده از جریان هوا با سطح رطوبت به‌دقت کنترل‌شده انجام می‌شود، منجر به سطحی نزدیک به 1700 وات ساعت در هر کیلوگرم در سطح «پشته» فردی شد که به معنای بیش از 1000 وات ساعت در سطح سیستم کامل است.

محققان تصور می‌کنند که برای استفاده از این سیستم در هواپیما، بسته‌های سوخت حاوی دسته‌هایی از سلول‌ها، مانند قفسه‌های سینی غذا در یک کافه تریا، در پیل‌های سوختی قرار می‌گیرد. فلز سدیم داخل این بسته ها به دلیل تامین انرژی، از نظر شیمیایی تبدیل می شود. جریانی از محصول جانبی شیمیایی آن جدا می‌شود و در مورد هواپیما، مانند اگزوز موتور جت، از پشت خارج می‌شود.

اما یک تفاوت بسیار بزرگ وجود دارد: انتشار دی اکسید کربن وجود نخواهد داشت. در عوض، انتشارات متشکل از اکسید سدیم در واقع دی اکسید کربن را از جو جذب می کند. این ترکیب به سرعت با رطوبت موجود در هوا ترکیب می‌شود و هیدروکسید سدیم را می‌سازد – ماده‌ای که معمولاً به عنوان پاک‌کننده فاضلاب استفاده می‌شود – که به آسانی با دی اکسید کربن ترکیب می‌شود و یک ماده جامد به نام کربنات سدیم را تشکیل می‌دهد که به نوبه خود بی کربنات سدیم را تشکیل می‌دهد که در غیر این صورت به عنوان جوش شیرین شناخته می‌شود.

چیانگ می گوید: «این آبشار طبیعی از واکنش ها وجود دارد که وقتی با فلز سدیم شروع می کنید، اتفاق می افتد. “همه چیز خود به خود است. ما لازم نیست کاری انجام دهیم تا آن اتفاق بیفتد، فقط باید هواپیما را پرواز دهیم.”

به عنوان یک مزیت اضافی، اگر محصول نهایی، بی کربنات سدیم، به اقیانوس ختم شود، می تواند به اسید زدایی آب کمک کند و یکی دیگر از اثرات مضر گازهای گلخانه ای را خنثی کند.

استفاده از هیدروکسید سدیم برای جذب دی اکسید کربن به عنوان راهی برای کاهش انتشار کربن پیشنهاد شده است، اما این به تنهایی یک راه حل اقتصادی نیست زیرا این ترکیب بسیار گران است. چیانگ توضیح می‌دهد: «اما در اینجا این یک محصول جانبی است، بنابراین اساساً رایگان است و مزایای زیست‌محیطی را بدون هزینه ایجاد می‌کند.

او می‌گوید نکته مهم این است که پیل سوختی جدید ذاتاً ایمن‌تر از بسیاری از باتری‌های دیگر است. فلز سدیم بسیار واکنش پذیر است و باید به خوبی محافظت شود. مانند باتری های لیتیومی، سدیم در صورت قرار گرفتن در معرض رطوبت می تواند به طور خود به خود مشتعل شود. چانگ می‌گوید: «وقتی باتری با چگالی انرژی بسیار بالا دارید، ایمنی همیشه یک مشکل است، زیرا اگر پارگی در غشاء وجود داشته باشد که دو واکنش‌دهنده را از هم جدا می‌کند، می‌توانید یک واکنش فراری داشته باشید. اما در این پیل سوختی، یک طرف آن فقط هوا است، “که کمیاب و محدود است. بنابراین شما دو واکنش دهنده متمرکز درست در کنار هم ندارید. اگر به دنبال چگالی انرژی واقعاً بسیار بالا هستید، به دلایل ایمنی یک سلول سوختی را به باتری ترجیح می دهید.”

در حالی که این دستگاه تاکنون تنها به عنوان یک نمونه اولیه کوچک و تک سلولی وجود دارد، چیانگ می‌گوید این سیستم باید به اندازه کافی ساده باشد تا در اندازه‌های عملی برای تجاری‌سازی مقیاس شود. اعضای تیم تحقیقاتی قبلاً یک شرکت به نام Propel Aero را برای توسعه این فناوری تشکیل داده اند. این شرکت در حال حاضر در انکوباتور استارتاپ MIT، The Engine قرار دارد.

تولید فلز سدیم کافی برای امکان استفاده گسترده و در مقیاس جهانی از این فناوری باید عملی باشد زیرا این ماده قبلاً در مقیاس بزرگ تولید شده است. زمانی که بنزین سرب دار قبل از حذف تدریجی معمول بود، از فلز سدیم برای تولید سرب تترا اتیل استفاده می شد که به عنوان یک افزودنی استفاده می شد و در ایالات متحده با ظرفیت 200000 تن در سال تولید می شد. چانگ می‌گوید: «این به ما یادآوری می‌کند که فلز سدیم زمانی در مقیاس بزرگ تولید می‌شد و با خیال راحت در ایالات متحده توزیع می‌شد.

علاوه بر این، سدیم عمدتاً از کلرید سدیم یا نمک به دست می‌آید، بنابراین برخلاف لیتیوم و سایر موادی که در باتری‌های EV امروزی استفاده می‌شوند، فراوان، به طور گسترده در سراسر جهان توزیع می‌شود و به راحتی استخراج می‌شود.

سیستم مورد نظر آنها از یک کارتریج قابل شارژ مجدد استفاده می کند که با فلز سدیم مایع پر شده و مهر و موم می شود. وقتی تمام شد، به ایستگاه شارژ بازگردانده می شود و دوباره با سدیم تازه پر می شود. سدیم در دمای 98 درجه سانتیگراد، درست زیر نقطه جوش آب ذوب می شود، بنابراین به راحتی می توان آن را تا نقطه ذوب برای پر کردن کارتریج های سوخت گرم کرد.

در ابتدا، برنامه تولید یک سلول سوختی به اندازه آجر است که می تواند حدود 1000 وات ساعت انرژی ارائه کند، که برای تامین انرژی یک پهپاد بزرگ کافی است تا این مفهوم را به شکلی عملی که می تواند به عنوان مثال در کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد، اثبات کند. این تیم امیدوار است که چنین نمایشی را در سال آینده آماده کند.

سوگانو، که بسیاری از کارهای تجربی را به عنوان بخشی از پایان نامه دکترای خود انجام داد و اکنون در استارتاپ کار خواهد کرد، می گوید که یک بینش کلیدی اهمیت رطوبت در این فرآیند بود. هنگامی که او دستگاه را با اکسیژن خالص و سپس با هوا آزمایش کرد، متوجه شد که میزان رطوبت موجود در هوا برای موثر ساختن واکنش الکتروشیمیایی بسیار مهم است. هوای مرطوب باعث می‌شود که سدیم مواد زائد خود را به‌جای جامد به صورت مایع تولید کند و حذف آن‌ها از جریان هوا در سیستم آسان‌تر شود. او می‌گوید: «کلید این بود که ما می‌توانیم این محصول مایع را تشکیل دهیم و به راحتی آن را خارج کنیم، برخلاف ترشح جامد که در شرایط خشک ایجاد می‌شود.

گانتی آگراوال خاطرنشان می کند که این تیم از زیرشاخه های مختلف مهندسی استفاده کرده است. به عنوان مثال، مطالعات زیادی در مورد سدیم در دمای بالا وجود دارد، اما هیچ یک با سیستم کنترل رطوبت وجود ندارد. او می‌گوید: «ما از تحقیقات پیل‌سوختی از نظر طراحی الکترود خود، از تحقیقات قدیمی‌تر باتری با دمای بالا و همچنین برخی تحقیقات باتری‌های سدیم-هوای نوپا استفاده می‌کنیم، و به نوعی آنها را کنار هم قرار می‌دهیم، که منجر به «برآمدگی عملکردی بزرگ» شد که تیم به دست آورد.

تیم تحقیقاتی همچنین شامل آلدن فریسن، کارآموز تابستانی MIT بود که در دبیرستان کوهستان صحرا در اسکاتسدیل، آریزونا تحصیل می کند. کایلاش رامان و ویلیام وودفورد از فرم انرژی در سامرویل، ماساچوست. Shashank Sripad از And Battery Aero در کالیفرنیا و Venkatasubramanian Viswanathan از دانشگاه میشیگان. این کار توسط ARPA-E، Breakthrough Energy Ventures و بنیاد ملی علوم پشتیبانی شد و از امکانات MIT.nano استفاده کرد.