Natrium‑ilma polttokennot tuovat akkuilmaliikenteen lähemmäs todellisuutta

MIT:n ja muiden tutkimusorganisaatioiden tutkijat ovat esitelleet laboratoriossa natriumia polttoaineena käyttävän ilma-polttokennon. Sen suuri mahdollinen energiatiheys kiinnostaa erityisesti sähköilmailussa. Tutkimus ei kuitenkaan osoita, että polttokenno olisi jo valmis lentokoneen voimanlähteeksi tai että se poistaisi hiilidioksidia ilmasta valmiissa kaupallisessa järjestelmässä.

Akkujen haasteet ilmailussa

Sähkölentokoneen energiavaraston painolla on suuri merkitys: lisäpaino vähentää toimintasädettä ja hyötykuormaa. Nykyiset litiumioniakut soveltuvat joihinkin pieniin ilma-aluksiin, mutta pitkän matkan suurten matkustajakoneiden sähköistämiseen niiden energiatiheys ei nykyisellään riitä. Tutkijat tarkastelevat siksi myös järjestelmiä, joissa energiaa sisältävä aine voidaan vaihtaa tai täydentää matkan jälkeen.

Metalli–ilma-järjestelmien mahdollisuus

Metalli–ilma-kenno käyttää metallia ja ilmasta saatavaa happea. Hapetin ei tällöin kulje kokonaan mukana samalla tavoin kuin suljetussa akussa. Perinteisissä metalli–ilma-akuissa kiinteät reaktiotuotteet voivat kuitenkin vaikeuttaa purkamista ja lataamista. Uudessa tutkimuksessa tarkasteltiin polttokennoratkaisua, jossa kulunut natrium vaihdetaan uuteen polttoaineeseen sähköisen lataamisen sijasta.

Natrium–ilma-polttokennon tutkimus

Joule-lehdessä julkaistu tutkimus kuvaa nestemäistä natriumia käyttävää kennoa. Keraaminen kiinteä elektrolyytti erottaa natriumin ilmaelektrodista ja päästää natriumioneja lävitseen. Huokoisella elektrodilla happi osallistuu sähköä tuottavaan reaktioon. Ilmavirran kosteutta säätämällä tutkijat pystyivät vaikuttamaan reaktiotuotteiden muodostumiseen ja poistumiseen.

Miten polttokenno eroaa ladattavasta akusta?

Polttokenno tuottaa sähköä niin kauan kuin siihen syötetään polttoainetta ja happea. Tässä kokeessa polttoaineena oli natriummetalli, joka kuluu käytössä. Tutkijoiden hahmottelema käyttömalli perustuu vaihdettaviin natriumpakkauksiin sekä käytetyn materiaalin talteenottoon ja käsittelyyn. Se edellyttäisi omaa valmistus-, täyttö- ja kierrätysketjua; artikkelin laboratoriokokeet eivät vielä osoita ketjun taloudellisuutta tai toimivuutta ilmailussa. Natriumin sulamispiste on noin 98 °C, joten myös lämpötilanhallinta kuuluu käytännön suunnitteluun.

Kaksi laboratorioprototyyppiä

Tutkijat rakensivat kaksi pientä koejärjestelyä. H-kirjainta muistuttavassa kennossa nestemäinen natrium ja ilmavirta olivat eri puolilla keraamista elektrolyyttiä ja huokoista ilmaelektrodia. Toisessa versiossa natriumia sisältävä astia oli vaakasuorassa elektrolyyttikerroksen päällä.

Kosteuden vaikutus reaktiotuotteisiin

Kokeissa ilman kosteus osoittautui tärkeäksi. Sopivassa kosteudessa natriumin reaktiotuotteet muodostuivat nestemäisinä, jolloin ilmavirta pystyi poistamaan niitä kennosta helpommin kuin kuivissa oloissa muodostuvia kiinteitä tuotteita. Tämä ratkaisee yhden laboratoriokennon käyttöä rajoittavan ongelman, mutta ei yksin osoita pitkäaikaista toimintavarmuutta tai helppoa huoltoa lentokäytössä.

Natriumin hapetus voi johtaa natriumkarbonaatin ja myöhemmin natriumbikarbonaatin muodostumiseen. Tutkijat ovat esittäneet, että näillä tuotteilla voisi olla hyötyä esimerkiksi meriveden happamuuden vähentämisessä. Mahdollinen hiilidioksidivaikutus riippuu kuitenkin koko valmistus- ja käyttöketjusta sekä reaktiotuotteiden käsittelystä. Kennon toimintaa ei pidä kuvata todennettuna ilmanpuhdistusmenetelmänä.

Mitä kokeissa mitattiin?

MIT:n tutkimustiedotteen mukaan tarkasti säädetyllä ilmavirralla saavutettiin yksittäisen kennopinon tasolla yli 1 500 Wh/kg:n energiatiheys. Tutkijoiden arvio koko järjestelmän mahdollisesta energiatiheydestä oli yli 1 000 Wh/kg. Nämä luvut koskevat eri järjestelmärajoja: laboratoriopinon mitattua tulosta ei voi suoraan rinnastaa lentokoneeseen asennetun kokonaisen polttoainejärjestelmän suorituskykyyn. Kyseessä oli pieni prototyyppi, ei lento- tai kaupallinen käyttökoe.

Mahdolliset hyödyt ja avoimet kysymykset

Energiatiheys ja hinta

Natrium on raaka-aineena yleinen, ja kennon mahdollinen energiatiheys tekee siitä kiinnostavan vaihtoehdon painoherkkiin sovelluksiin. Vertailu litiumioniakkuihin riippuu kuitenkin siitä, sisällytetäänkö massaan kennojen lisäksi polttoaine, pakkaukset, apulaitteet ja turvallisuusjärjestelmät. Tutkimus ei osoita valmiin ilmailujärjestelmän hintaa.

Turvallisuus

Tutkijoiden mukaan polttokennon rakenne voi vähentää eräitä tiiviisti vierekkäin oleviin reagoiviin aineisiin liittyviä riskejä. Natriummetalli reagoi kuitenkin voimakkaasti veden kanssa ja voi syttyä, jos sitä käsitellään väärin. Laboratoriotuloksista ei voi päätellä, että järjestelmä olisi yleisesti turvallisempi kuin sertifioidut litiumioniakut; lentokäyttö vaatisi erilliset turvallisuus- ja kestotestit.

Ympäristövaikutukset

Reaktiotuotteiden mahdollinen käyttö ja natriumin kierrätys ovat tutkimuskohteita. Ympäristöhyötyä pitäisi arvioida koko elinkaaren perusteella, mukaan lukien natriumin valmistuksen sähkö, kuljetus ja käytettyjen pakkauksien käsittely. Pelkkä reaktiotuotteen kemiallinen koostumus ei osoita, että järjestelmä puhdistaisi ilmaa tai meriä käytännössä.

Ilmailu ja kaupallistaminen

Mahdollisia tulevia sovelluksia ovat ilma-alukset, alukset, junat ja raskas maantieliikenne. Ilmailukäyttö edellyttäisi muun muassa skaalattua kennoa, polttoainepakkauksia, reaktiotuotteiden hallintaa, lämpötilanhallintaa ja ilmailuviranomaisten hyväksyntää. Tutkijat ovat perustaneet Propel Aero -yrityksen teknologian kehittämiseksi. Se ei tarkoita, että kaupallinen lentojärjestelmä olisi jo saatavilla. Suurten droonien käyttöä on esitetty mahdollisena varhaisena kehitysvaiheena.

Tutkijat ja rahoitus

Tutkimuksen tekijöitä ovat Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, Yet-Ming Chiang, Alden Friesen, Kailash Raman, William Woodford, Shashank Sripad ja Venkatasubramanian Viswanathan. Työtä tukivat ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures ja National Science Foundation.

Sijoittaminen akkuteknologiaan

Natrium–ilma-polttokennot ovat vasta tutkimus- ja kehitysvaiheessa. Niitä ei tule sekoittaa markkinoilla jo oleviin litiumioniakkuja valmistaviin yhtiöihin. Seuraava yhtiöesimerkki toimii eri akkuteknologian parissa.

Enovix Corp.

Enovix (ENVX ) kehittää piianodeihin perustuvia ladattavia litiumioniakkuja. Sen teknologia ei ole tämän artikkelin natrium–ilma-polttokenno. Yhtiön tuotteiden ja taloudellisten näkymien arviointi edellyttää erillistä tarkastelua.

Uusimmat Enovixin (ENVX) osakeuutiset

Tutkimuksen merkitys

Natrium–ilma-polttokennon laboratoriotulos näyttää lupaavan tavan tuottaa sähköä vaihdettavasta metallipolttoaineesta. Seuraavat vaiheet ovat kestävyyden, kokonaisjärjestelmän energiatiheyden, turvallisuuden ja ympäristövaikutusten osoittaminen käytännön mittakaavassa. Lue lisää energiateknologiasta.

Viitattu tutkimus

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