انقلابی در صنعت حمل‌ونقل پاک: ساخت پیل سوختی فوق سبک با انرژی سه برابر باتری
مهندسان نوعی پیل سوختی طراحی کرده‌اند که بیش از سه برابرِ باتری‌های لیتیوم-یونی، انرژی به‌ازای هر کیلوگرم فراهم می‌کند. این دستگاه که از واکنش میان فلز سدیم و هوا نیرو می‌گیرد، می‌تواند به‌اندازه‌ای سبک باشد که برق‌رسانی به هواپیماها، کامیون‌ها یا کشتی‌ها را امکان‌پذیر سازد.
باتری‌ها در آستانه رسیدن به محدودیت‌های خود از نظر میزان انرژی قابل‌ذخیره به‌ازای وزن هستند. این موضوع مانعی جدی برای نوآوری در حوزه انرژی و یافتن روش‌های جدید برای تأمین نیروی هواپیماها، قطارها و کشتی‌ها به شمار می‌رود.
اکنون، پژوهشگرانی در «MIT» و مؤسسات دیگر، راه‌حلی ارائه کرده‌اند که می‌تواند به برقی‌سازی این سامانه‌های حمل‌ونقلی کمک کند.
در این مفهوم جدید، به‌جای باتری از نوعی پیل سوختی استفاده شده است - که از نظر عملکرد شبیه باتری است؛ اما به‌جای شارژ مجدد، می‌توان آن را به‌سرعت سوخت‌گیری مجدد کرد.
در این مورد، سوخت مورداستفاده فلز سدیم مایع است که ماده‌ای ارزان‌قیمت و به‌وفور در دسترس به شمار می‌رود. سمت دیگر پیل، هوا است که به‌عنوان منبع اتم‌های اکسیژن عمل می‌کند.
بین این دو، لایه‌ای از ماده سرامیکی جامد به‌عنوان الکترولیت قرار دارد که امکان عبور آزادانه یون‌های سدیم را فراهم می‌سازد و یک الکترود متخلخل رو به هوا نیز واکنش شیمیایی بین سدیم و اکسیژن را تسهیل کرده و برق تولید می‌کند.
در مجموعه‌ای از آزمایش‌ها با یک نمونه اولیه از این دستگاه، پژوهشگران نشان دادند که این پیل می‌تواند بیش از سه برابر انرژی بیشتری به‌ازای هر واحد وزن نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون که امروزه در تقریباً تمام خودروهای برقی استفاده می‌شوند - ذخیره کند.
«چیانگ» استاد سرامیک مؤسسه «Kyocera» می‌گوید:
«ما انتظار داریم که مردم فکر کنند این ایده کاملاً دیوانه‌وار است، اگر چنین فکر نکنند، کمی ناامید خواهم شد، چون اگر مردم در ابتدا چیزی را کاملاً غیرمنطقی ندانند، احتمالاً آن ایده انقلابی نخواهد بود.»
او باور دارد که این فناوری واقعاً پتانسیل انقلابی بودن را دارد. به‌ویژه در صنعت هوانوردی، جایی که وزن نقش بسیار حیاتی دارد، چنین بهبودی در چگالی انرژی می‌تواند همان نقطه عطفی باشد که در نهایت پرواز با نیروی برق را در مقیاسی قابل‌توجه عملی و ممکن می‌سازد.
«چیانگ» می‌گوید:
«آستانه‌ای که واقعاً برای هوانوردی الکتریکیِ عملیاتی نیاز دارید، حدود ۱۰۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم است.»
باتری‌های لیتیوم-یونی امروزی که در خودروهای برقی استفاده می‌شوند، در بهترین حالت حدود ۳۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم انرژی ذخیره می‌کنند - که فاصله زیادی با مقدار موردنیاز دارد. او می‌افزاید حتی اگر به ۱۰۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم هم برسیم، این مقدار برای پروازهای بین‌قاره‌ای یا عبور از اقیانوس اطلس کافی نخواهد بود.
این مقدار همچنان فراتر از توانایی هر ترکیب شیمیاییِ باتریِ شناخته‌شده‌ای است، اما «چیانگ» می‌گوید دستیابی به ۱۰۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم می‌تواند فناوری‌ای کلیدی برای هوانوردی الکتریکی منطقه‌ای باشد - بخشی که حدود ۸۰ درصد پروازهای داخلی و ۳۰ درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای صنعت هوانوردی را شامل می‌شود.
این فناوری می‌تواند برای سایر حوزه‌ها نیز نقش تسهیل‌گر داشته باشد، از جمله حمل‌ونقل دریایی و ریلی. او می‌گوید: «همه این‌ها به چگالی انرژی بسیار بالا نیاز دارند و درعین‌حال باید کم‌هزینه باشند و همین نیازها بود که ما را به سمت فلز سدیم جذب کرد.»
طی سه دهه گذشته پژوهش‌های گسترده‌ای برای توسعه باتری‌های لیتیوم-هوا یا سدیم-هوا انجام شده است، اما ساخت آن‌ها به‌گونه‌ای که کاملاً قابل‌شارژ مجدد باشند، چالش‌برانگیز بوده است. «چیانگ» می‌گوید:
«مردم مدت‌هاست از چگالی انرژی بالقوه باتری‌های فلز-هوا آگاه‌اند و این ویژگی بسیار جذاب بوده است، اما تاکنون هرگز به‌صورت عملی محقق نشده است.»
در این مطالعه با استفاده از همان مفهوم پایه الکتروشیمیایی، ولی به‌جای باتری، پیل سوختی ساختند، پژوهشگران توانستند مزایای چگالی انرژی بالا را در قالبی عملی به دست آورند. بر خلاف باتری که مواد آن یک‌بار جمع‌آوری و در یک محفظه مهروموم می‌شود، در پیل سوختی مواد حامل انرژی به‌صورت مداوم وارد و خارج می‌شوند.
تیم پژوهشی دو نسخه مختلف از نمونه اولیه آزمایشگاهی این سیستم را تولید کرد. در نسخه‌ای که «پیل H» نام دارد، دو لوله شیشه‌ای عمودی با یک لوله متصل‌کننده در وسط به هم وصل شده‌اند؛ این لوله شامل یک ماده سرامیکی جامد به‌عنوان الکترولیت و یک الکترود متخلخل هوا است. فلز سدیم مایع، لوله یک طرف را پر می‌کند و هوا از سمت دیگر عبور می‌کند تا اکسیژن لازم برای واکنش الکتروشیمیایی در مرکز فراهم شود که به‌تدریج سوخت سدیم را مصرف می‌کند.
نمونه اولیه دیگر طراحی افقی دارد، به‌طوری که یک سینی از ماده الکترولیت مایع سدیم را در خود جای‌داده است. الکترود متخلخل هوا که واکنش را تسهیل می‌کند، به کف این سینی متصل شده است.
«چیانگ» می‌گوید:
«آزمایش‌ها با استفاده از جریان هوایی که سطح رطوبت آن به‌دقت کنترل شده بود، در سطح یک «پشته» منفرد، میزان انرژی بیش از ۱۵۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم را به دست داد که این مقدار در سطح کل سیستم به بیش از ۱۰۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم ترجمه می‌شود.»
پژوهشگران تصور می‌کنند که برای استفاده از این سیستم در هواپیما، بسته‌های سوختی حاوی مجموعه‌ای از سلول‌ها، مانند قفسه‌های سینی‌های غذا در یک کافه‌تریا، در پیل‌های سوختی قرار داده شوند. فلز سدیم درون این بسته‌ها در حین تأمین انرژی به‌صورت شیمیایی تبدیل می‌شود. سپس جریان محصولات جانبی شیمیایی آن آزاد می‌شود و در مورد هواپیما، این جریان از قسمت عقب هواپیما، مشابه خروجی دود موتور جت خارج می‌شود.
اما یک تفاوت بسیار مهم وجود دارد: در این سیستم هیچ‌گونه انتشار دی‌اکسیدکربن صورت نمی‌گیرد. در عوض، گازهای خروجی که شامل اکسید سدیم هستند، در واقع دی‌اکسیدکربن موجود در جو را جذب می‌کنند. این ترکیب به‌سرعت با رطوبت هوا واکنش داده و هیدروکسید سدیم - ماده‌ای که معمولاً به‌عنوان پاک‌کننده لوله فاضلاب استفاده می‌شود - تولید می‌کند.
سپس هیدروکسید سدیم به‌راحتی با دی‌اکسیدکربن ترکیب شده و کربنات سدیم جامد را تشکیل می‌دهد که در نهایت به بی‌کربنات سدیم، یا همان جوش‌شیرین، تبدیل می‌شود.
«چیانگ» همچنین می‌افزاید:
«وقتی با فلز سدیم شروع می‌کنید، یک زنجیره طبیعی از واکنش‌ها به‌صورت خودبه‌خودی رخ می‌دهد؛ ما هیچ کاری لازم نیست انجام دهیم تا این فرایند اتفاق بیفتد، فقط کافی‌ست هواپیما را به پرواز درآوریم.»
به‌عنوان یک مزیت اضافه، اگر محصول نهایی یعنی بی‌کربنات سدیم وارد اقیانوس شود، می‌تواند به کاهش اسیدیته آب کمک کند و یکی دیگر از اثرات مخرب گازهای گلخانه‌ای را خنثی سازد.
استفاده از هیدروکسید سدیم برای جذب دی‌اکسیدکربن پیش‌تر به‌عنوان روشی برای کاهش انتشار کربن پیشنهاد شده بود، اما به‌تنهایی راه‌حلی اقتصادی محسوب نمی‌شود، زیرا این ترکیب بسیار گران‌قیمت است. «اما در اینجا، این ماده یک محصول جانبی است»، «چیانگ» توضیح می‌دهد؛ بنابراین در عمل رایگان است و بدون هزینه‌ی اضافی، فواید زیست‌محیطی به همراه دارد.
«چیانگ» می‌گوید که به طور ذاتی، این پیل سوختی جدید ایمن‌تر از بسیاری از باتری‌های دیگر است. فلز سدیم بسیار واکنش‌پذیر است و باید به‌خوبی محافظت شود. مانند باتری‌های لیتیومی، سدیم هم در صورت تماس با رطوبت می‌تواند به طور خودبه‌خودی مشتعل شود.
«چیانگ» می‌گوید:
«هرگاه باتری با چگالی انرژی بسیار بالا داشته باشید، ایمنی همیشه یک نگرانی است؛ زیرا اگر غشایی که دو واکنش‌دهنده را از هم جدا می‌کند پاره شود، ممکن است واکنش از کنترل خارج شود.»
اما در این پیل سوختی، یک طرف فقط هوا است که رقیق و محدود است؛ بنابراین دو واکنش‌دهنده‌ی متراکم کنار هم قرار ندارند. اگر دنبال چگالی انرژی بسیار بالا هستید، به دلایل ایمنی بهتر است به‌جای باتری، از پیل سوختی استفاده کنید.
اگرچه این دستگاه در حال حاضر فقط به‌صورت یک نمونه اولیه‌ی کوچک و تک‌سلولی وجود دارد، اما چیانگ می‌گوید که این سیستم به‌راحتی قابل‌گسترش به اندازه‌های عملیاتی برای تجاری‌سازی است.
اعضای این تیم تحقیقاتی در حال حاضر شرکتی به نام «Propel Aero» تأسیس کرده‌اند تا این فناوری را توسعه دهند. این شرکت هم‌اکنون در شتاب‌دهنده استارتاپی «MIT» به نام «The Engine» مستقر است.
تولید مقدار کافی فلز سدیم برای امکان‌پذیر کردن اجرای گسترده و در مقیاس جهانی این فناوری باید عملی باشد، زیرا این ماده پیش‌تر در حجم بالا تولید شده است. زمانی که بنزین سرب‌دار رایج بود و پیش از اینکه کنار گذاشته شود، فلز سدیم برای تولید تترااتیل سرب که به‌عنوان افزودنی استفاده می‌شد، به کار می‌رفت و در ایالات متحده با ظرفیت سالانه ۲۰۰,۰۰۰ تن تولید می‌شد. «چیانگ» می‌گوید:
«این موضوع به ما یادآوری می‌کند که فلز سدیم زمانی در مقیاس بزرگ تولید می‌شد و به طور ایمن در سراسر آمریکا مدیریت و توزیع می‌گردید.»
علاوه بر این، سدیم عمدتاً از سدیم کلرید (نمک طعام) به دست می‌آید، بنابراین منبع آن فراوان، در سراسر جهان به طور گسترده توزیع‌شده و به‌راحتی قابل‌استخراج است - برخلاف لیتیوم و سایر موادی که در باتری‌های خودروهای الکتریکی امروزی استفاده می‌شوند. این ویژگی، سدیم را به گزینه‌ای بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تر و پایدارتر برای تولید انبوه تبدیل می‌کند.
سیستمی که پژوهشگران در نظر دارند از کارتریج‌های قابل‌شارژ مجدد استفاده می‌کند که با فلز سدیم مذاب پر و سپس مهروموم می‌شوند. وقتی این کارتریج‌ها مصرف می‌شوند، به یک ایستگاه سوخت‌گیری بازگردانده شده و با سدیم تازه پر می‌شوند. از آنجا که نقطه ذوب سدیم ۹۸ درجه سلسیوس است - درست کمی پایین‌تر از نقطه جوش آب - گرم‌کردن آن برای ذوب و شارژ مجدد کارتریج‌ها نسبتاً ساده و کم‌هزینه خواهد بود. این طراحی، فرایند سوخت‌گیری را بسیار سریع‌تر و ساده‌تر از شارژ باتری‌های لیتیومی می‌سازد.
در مرحله ابتدایی، تیم تحقیقاتی قصد دارد یک سلول سوختی به اندازه یک آجر تولید کند که بتواند حدود ۱۰۰۰ وات‌ساعت انرژی فراهم کند - مقداری که برای تأمین انرژی یک پهپاد بزرگ کافی است. هدف از این کار، اثبات عملی‌بودن ایده در مقیاسی واقعی و کاربردی، مانند استفاده در کشاورزی است. آن‌ها امیدوارند که تا یک سال آینده، این نمونه‌ی نمایشی آماده شود.
«سوگانو» که بخش عمده‌ای از کارهای تجربی این پروژه را به‌عنوان بخشی از رساله دکترای خود انجام داده و اکنون در استارتاپ مرتبط مشغول به کار است، می‌گوید یکی از بینش‌های کلیدی در این تحقیق، نقش رطوبت در فرایند الکتروشیمیایی بوده است.
او هنگام آزمایش دستگاه با اکسیژن خالص و سپس با هوای معمولی دریافت که میزان رطوبت هوا برای کارآمد بودن واکنش بسیار حیاتی است. در حضور رطوبت، محصولات تخلیه سدیم به‌جای اینکه به شکل جامد تشکیل شوند، به‌صورت مایع شکل می‌گیرند. این موضوع باعث می‌شود تخلیه و دفع این محصولات توسط جریان هوا به‌مراتب ساده‌تر انجام شود.
او می‌گوید:
«نکته‌ی کلیدی این بود که بتوانیم این محصول تخلیه مایع را تشکیل دهیم و به‌راحتی خارجش کنیم، درحالی‌که در شرایط خشک، این محصولات به‌صورت جامد شکل می‌گرفتند و دفع آن‌ها دشوارتر بود.»
«گانتی-اگر‌وال» اشاره می‌کند که تیم تحقیقاتی از شاخه‌های متنوعی از مهندسی برای توسعه این فناوری بهره گرفته است. به‌عنوان‌مثال، تحقیقات زیادی روی سدیم در دماهای بالا انجام شده، اما هیچ‌یک از آن‌ها شامل سیستمی با رطوبت کنترل‌شده نبوده‌اند.
او می‌گوید:
«ما از پژوهش‌های مرتبط با پیل سوختی برای طراحی الکترود خود بهره گرفتیم، از تحقیقات قدیمی‌تر روی باتری‌های دمای بالا الهام گرفتیم، و همچنین از مطالعات نوظهور در زمینه باتری‌های سدیم - هوا استفاده کردیم - و در نهایت همه این‌ها را با هم ترکیب کردیم.»
این رویکرد ترکیبی منجر به افزایش چشمگیر عملکرد دستگاه شده است؛ موضوعی که به گفته‌ی او، کلید موفقیت آن‌ها بوده است.
یافته‌های آن‌ها در نشریه Joule منتشر شده است.
