Natrium‑Luft‑Brennstoffzellen bringen die Batterieflugzeugtechnologie der Realität näher

Forschende am MIT und an weiteren Einrichtungen haben eine experimentelle Natrium-Luft-Brennstoffzelle entwickelt, die langfristig für elektrische Flugzeuge interessant sein könnte. Die Studie in Joule beschreibt Laborprototypen, kein bereits damit angetriebenes Flugzeug. Die hohe spezifische Energie ist vielversprechend. Sicherheit, Skalierung und die Herstellung des metallischen Natriums müssen aber noch für ein vollständiges System bewertet werden.

Warum die elektrische Luftfahrt leichtere Energiespeicher braucht

Das Gewicht des Energiespeichers begrenzt Reichweite und Nutzlast. Lithium-Ionen-Akkus ermöglichen kleine Elektroflugzeuge, doch ihre spezifische Energie erschwert anspruchsvolle Regionalflüge. Metall-Luft-Zellen nutzen Sauerstoff aus der Umgebungsluft und können grundsätzlich mehr Energie je Kilogramm liefern. Bei wiederaufladbaren Ausführungen lagern sich häufig feste Entladeprodukte ab, die den weiteren Betrieb erschweren.

Funktionsweise der Natrium-Luft-Zelle

Die MIT-Konstruktion verwendet flüssiges metallisches Natrium als verbrauchbaren Brennstoff und befeuchtete Luft auf der Gegenseite. Ein fester keramischer Elektrolyt leitet Natriumionen, während Elektronen über den äußeren Stromkreis elektrische Leistung abgeben. Nach dem Verbrauch muss Natrium nachgefüllt und das Reaktionsprodukt entfernt werden. Die Zelle wird also betankt; sie wird nicht einfach wie ein geschlossener Akku an einer Steckdose geladen.

Das Team baute zwei Laborprototypen, darunter eine H-förmige Zelle. Die Luftfeuchtigkeit war entscheidend, weil die Entladeprodukte dadurch in flüssiger Form abgeführt werden konnten. So lässt sich ein Problem anderer Metall-Luft-Batterien umgehen: schwer entfernbare feste Ablagerungen.

Quelle: Joule

Was die Versuche belegen

Die Studie gibt eine berechnete spezifische Energie auf Zellenstapelebene von 1.200 Wh/kg bei einer Stromdichte von 80 mA/cm² an. Die Forschenden demonstrierten zudem einen kontinuierlichen Betrieb, bei dem eine bis zu 2,3 cm dicke Natriumschicht verbraucht wurde. Der Wert übertrifft viele heutige Lithium-Ionen-Akkupakete, ist aber keine Messung eines vollständigen, zertifizierten Flugzeugsystems mit Brennstoffversorgung, Kühlung und Sicherheitsausrüstung. Die Leistung im Flug ist noch nicht nachgewiesen.

Reaktionsprodukte und Umweltbilanz

Bei der Entladung entsteht unter anderem Natriumhydroxid, das mit CO₂ zu Natriumcarbonat und später zu Natriumhydrogencarbonat reagieren kann. Das zeigt einen möglichen Weg zur CO₂-Bindung, belegt aber keine negative Netto-Emissionsbilanz eines künftigen Flugzeugs. Eine Lebenszyklusanalyse muss auch die Energie zur erneuten Herstellung des Natriummetalls und die Behandlung der Reaktionsprodukte berücksichtigen. Natriummetall reagiert heftig mit Wasser; sichere Lagerung und Betankung sind daher wesentliche Entwicklungsaufgaben.

Mögliche Anwendungen

Die Forschenden nennen Luftfahrt, Schifffahrt und andere gewichtssensible Transporte. Als nächster Schritt sind größere Demonstratoren denkbar, zunächst möglicherweise für Drohnen. Einen bestätigten Termin für die kommerzielle Passagierluftfahrt gibt es nicht. Haltbarkeit, Kosten, Brennstofflogistik und Zulassung müssen im größeren Maßstab geprüft werden.

Einordnung für Anleger

Enovix Corp. entwickelt eine andere Speichertechnik: Lithium-Ionen-Zellen mit Siliziumarchitektur. Das Unternehmen dient hier nur als Beispiel aus der breiteren Batteriebranche. Die MIT-Zelle ist kein Enovix-Produkt; die Studie zeigt keinen unmittelbaren wirtschaftlichen Nutzen für das Unternehmen.

(ENVX )

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Studie

Sugano, K. et al. (2025): „Sodium-air fuel cell for high energy density and low-cost electric power“, Joule. doi:10.1016/j.joule.2025.101962.