O echipă de ingineri din SUA a creat o nouă celulă electrochimică ce poate produce electricitate pentru aviaţie în timp ce extrage CO2-ul din aer

O echipă de ingineri de la universitatea MIT din SUA a creat o nouă instalaţie de celule electrochimice, ce poate produce electricitate pentru aviaţie sau orice alt transport, în timp ce extrage CO2-ul din aer. Descoperirea are şansele să creeze un impact uriaş mai ales acolo unde propulsia electrică e dorită, dar e limitată în greutatea bateriilor ce pot fi luate la bord, tocmai de asta aviaţia e primul domeniu menţionat de autorii acestei elaborări. Mai mult ca atât, nu vorbim de pile de combustie ce ar folosi hidrogen pentru a produce electricitate, ci sodiu lichid, adică sare topită, efectiv, şi aer!

Foto: Echipa de ingineri e formată din Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, Yet-Ming Chiang şi 5 aţii.

Avioanele electrice sunt deocamdată limitate la mărimi foarte mici şi autonomie mică, tocmai pentru că un avion are nevoie de consum uriaş de energie, la care se mai adaugă reglementările de securitate, iar adăugarea de baterii nu e o soluţie infinită, întrucât se ajunge foarte repede la limita portanţei şi atunci avionul nu mai poate avea o sarcină utilă raţională sau o autonomie care să conteze.

Tocmai de asta, drept alternativă sunt explorate şi alte tipuri soluţii, precum hidrogenul lichid, care ar putea fi folosit pentru pile de combustie, din care să se genereze electricitate. Chiar Airbus are în dezvoltarea un asemenea avion, inginerii săi construit şi o instalaţie de pile de combustie de 1 MW pentru asta.

Foto: Instalaţia cu pile de combustie cu hidrogen, creată de Airbus

Noua elaborare despre care vorbim azi, însă, are un principiu similar de bază în funcţionarea sa — folosind principiul celulelor electrochimice, numite şi pile de combustie, dar nu foloseşte hidrogen pentru producţia de electricitate, şi sodiu lichid. La pilele de combustie cu hidrogen, acesta intră în reacţie cu oxigenul din aer, iar hidrogenul este astfel oxidat în anodul instalaţiei, producând protoni şi neutroni, care se mişcă printr-un electrolit producând electricitate şi ajungând în cele din urmă printr-o membrană în catod, unde se combină cu oxigenul şi formează apa.

Noua instalaţie funcţionează cu sodiu lichid, unde acest metal e oxidat graţie interacţiunii cu aerul, iar aceşti ioni trec printr-un electrolit ceramic, ca la bateriile cu stare solidă. La final rezultă hidroxidul de natriu (NaOH), iar acest compus trebuie să-l memorăm aici, pentru că procesul nu se opreşte aici. Eficienţa energetică a unei asemenea celule electrochimice e mai mare decât la cele pe hidrogen, unde doar 55% din energia conţinută în hidrogen se transformă în electricitate. În cazul instalaţiei cu sodiu lichid, randamentul ajunge la 70%. Pornirea instalaţiei, însă, iar ceva timp pentru aducerea la temperatura de funcţionare şi, respectiv, energie.

Model la scară mică de laborator a noii elaborări

Densitatea energetică a unei asemenea instalaţii ajunge la 1.700 Wh/kg, ceea ce depăşeşte cu de 3,4 ori densitatea celor mai performante baterii litiu-ion, care abia sunt în dezvoltare în China pentru aviaţie, la 500 Wh/kg. Chiar şi cu cele mai masive construcţii adiţionale, toată instalaţia nouă ar ajunge la 1.000 Wh/kg şi tot ar fi peste minimul necesar pentru densitatea energetică necesară pentru a face zborurile viabile.

Partea şi mai curioasă e atunci când revenim la acel hidroxid de sodiu, NaOH. Această substanţă poate absorbi în mod pasiv CO2-ul din aer, de la înălţime, şi formează NaHCO3, iar cu stimulare de căldură şi flux mai mare de aer se formează Na2CO3 şi H20. Cea de-a doua opţiune formează carbonatul de sodiu, şi există aplicări pentru el, însă e un proces ce necesită mai multă energie. Formarea de NaHCO3 e un produs auxiliar aici, care are loc fără energie adiţională. Iar NaHCO3 e bicarbonatul de sodiu, sau acea sodă de bucătărie pe care o ştiu toţi. Întrebuinţarea acesteia e cea mai diversă, iar pentru ecologie ea poate fi folosită pentru reducerea acidităţii prin creşterea pH-ului, restabilind astfel vegetaţia mai ales în zonele cu corali şi ajutând la o absorbţie şi mai bună a CO2-ului de către oceane.

Asta ar însemna că un avion cu o asemenea instalaţie ar fi alimentat cu sodiu lichid, din care-şi va produce electricitatea, iar la aterizare va descărcare bicarbonat de sodiu. Iar acel bicarbonat de sodiu ar putea ajunge în zone sensibile ale oceanelor sau în multe alte aplicaţii industriale, în toată ecuaţia mai având loc şi captarea de CO2 din aer în timpul zborului.

Echipa de ingineri nu publică date exacte despre cât sodiu lichid ar fi necesar pentru un zbor cu un asemenea avion, dar din datele publicate el şi alte câteva cunoştinţe generale despre consumurile avioanelor electrice putem extrapola un scenariu al unui zbor de 400 km, spre exemplu, similar cu cel dintre Bucureşti şi Chişinău, cu un avion de 30 pasageri. Consumul de energie necesar ar fi de circa 2.400 kWh într-un scenariu idealist. Ar fi nevoie de circa 1,6 tone de sodiu lichid pentru a genera această energie, ceea ce, cu tot cu dispozitivul, ar fi mai puţin decât bateriile necesare pentru a stoca această energie.

Doar că în mod idealist acelaşi zbor de 400 km ar putea capta 3.000 kg de CO2 pentru a produce bicarbonatul de sodiu, iar acesta din urmă ar putea ajunge la o greutate de 5,8 tone la aterizare. Deci e o greutate relativ mare, însă asta s-ar produce într-un scenariu mai idealist. Practic, avioanele s-ar transforma într-un instrument de captare a CO2-ului din aer.

Greutatea mare, însă, a acestui bicabonat de sodiu poate fi o problemă. Iar cea mai mare problemă e că sodiul lichid, deşi se produce din banala sare, are nevoie de foarte energie pentru a fi produs. Cam între 15.700 şi 22.400 kWh, de fapt, pentru a produce cele 1,6 tone de sodiu lichid, ceea ce reduce din randamentul total. Deci, randamentul instalaţiei de celule electrochimice e mai bun, la 70%, dar când analizăm întregul ciclu, cu producţia sodiului lichid, atunci cifrele devin mai puţin eficiente.

Aşadar, o invenţie bună şi intrigantă pe unele cifre şi pe efectul său posibil de a capta CO2-ul din aer. Dar există provocări pe altă parte a cifrelor, pe care echipa de ingineri nu le menţionează. Totuşi, e la fel de adeărat că sodiul lichid e un material ieftin în achiziţie şi echipa de ingineri spune că producţia lui la scară largă ar trebui să fie posibilă şi fezabilă, chiar şi în cazul când toată aviaţia ar trece la el.