Батареи почти достигли предела по запасу энергии на килограмм веса. Это серьезная проблема для энергетики, особенно для электрических самолетов, поездов и кораблей. Но ученые из MIT и других институтов нашли выход — топливный элемент на жидком натрии.

Вместо батареи — топливная ячейка, которую не нужно заряжать, а можно просто заправлять.

С одной стороны — жидкий натрий (дешевый и доступный металл), с другой — обычный воздух, дающий кислород. Между ними — керамическая мембрана, пропускающая ионы натрия, и пористый электрод, где натрий реагирует с кислородом, вырабатывая ток.

Прототип показал энергоемкость втрое выше, чем у современных литий-ионных батарей.

Результаты опубликованы в журнале Joule.

Люди наверняка скажут, что это безумная идея, — говорит профессор Чианг. — Иначе это не было бы прорывом.

Для авиации, где каждый грамм на счету, такая плотность энергии — настоящий прорыв. Современные батареи дают около 300 Вт·ч/кг, а для электрических самолетов нужно минимум 1000.

Даже этого мало для трансконтинентальных перелетов, но хватит для региональных рейсов, — объясняет Чианг.

Технология пригодится и в морском, и в железнодорожном транспорте — везде, где важны энергоемкость и низкая стоимость.

Раньше пытались создать натрий-воздушные батареи, но их не удавалось перезаряжать. Ученые пошли другим путем: сделали топливный элемент, где натрий расходуется, а не накапливается.

Прототип — стеклянная трубка с керамической мембраной. С одной стороны — жидкий натрий, с другой — воздух. Реакция постепенно расходует натрий, вырабатывая ток. Второй вариант — горизонтальная ячейка, где натрий лежит в поддоне, а воздух проходит снизу.

В тестах система выдала почти 1700 Вт·ч/кг на уровне ячейки, а в полном масштабе — свыше 1000.

В самолете такие элементы стояли бы стопками, как поддоны в столовой. Натрий расходуется, а побочный продукт — оксид натрия — выбрасывается в атмосферу. Но в отличие от керосина, он не вредит климату. Наоборот, он связывает CO₂, превращаясь в соду.

Все происходит само, — говорит Чианг. — Нам просто нужно лететь.

Еще один плюс: если сода попадет в океан, она снизит его кислотность.

Натрий очень активен, но в этой системе он безопаснее, чем в батареях. Здесь нет двух реактивов вплотную — только натрий и воздух.

Ученые уже основали компанию Propel Aero. Натрий добывают из соли, его легко перерабатывать, и раньше его производили сотнями тысяч тонн.

Заправка будет простой: картридж с жидким натрием (он плавится при 98 °C) заменяют на новый. Сначала планируют выпустить элемент размером с кирпич для дронов.

Ключевой момент — влажность воздуха, — говорит аспирантка Сугано. — Без нее реакция идет хуже.

Команда объединила идеи из разных областей, что и дало такой результат.

Этот подход решает две главные проблемы «зеленой» энергетики: энергоемкость и экологичность.

• Авиация: электрические самолеты пока невозможны из-за веса батарей. 1000 Вт·ч/кг — минимум для коротких рейсов.
• Морской и ж/д транспорт: снижение выбросов без потери мощности.
• Углеродный след: побочный продукт (сода) нейтрализует CO₂.
• Безопасность: нет риска взрыва, как у литиевых батарей.

Главный вопрос — масштабирование. Лабораторный прототип — это одно, а промышленное производство — другое. Натрий коррозионно-активен, и даже небольшие утечки могут повредить оборудование. Кроме того, система требует точного контроля влажности — как это будет работать в реальных условиях?

Ранее ученые заявили, что водород может быть сверхпроводником.