Натрий в самолетах

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Воздушный полог нашей планеты — не такое уж и спокойное местечко, точнее даже очень беспокойное. На Земле каждые три секунды взлетает или приземляется самолет. Одномоментно в воздухе находится от 11 тысяч до 16 тысяч воздушных судов, это зависит от сезона. Одним словом — оживленное движение во все стороны происходит над нашими головами на высоте 6–10 км.

Защитникам окружающей среды это не нравится, поскольку каждый самолет, сжигая в своем чреве керосин, выделяет углекислый газ, известный своей способностью вызывать парниковый эффект. Добавлять всякие нелицеприятные эпитеты типа «отвратительный» к парниковому эффекту не буду, поскольку благодаря именно ему на Земле появилась жизнь. Не будь его, на Земле было бы очень холодно, и жесткий ультрафиолет выжигал бы все малейшие попытки природы сформировать биосферу. Да и сырья для фотосинтеза не было бы.

Тем не менее лишний углекислый газ в атмосфере ни к чему, во всем нужна мера. Поэтому крайне желательно, чтобы самолеты не оставляли после себя в атмосфере парниковый газ. Возможно ли это? Возможно, если самолеты, подобно электромобилям и электробусам, перейдут на электрическую тягу.

Казалось бы, какие здесь проблемы? Ведь авто уже давно ездят на литиевых аккумуляторах. Дело в том, что литий-ионные аккумуляторы слишком тяжелые для самолетов. Плотность хранения энергии в них невелика — 300 ватт-часов на килограмм веса батареи. Этого слишком мало, для самолета нужно от 1000 Вт·ч/кг и больше.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT, США), кажется, нашли решение — разработали топливный элемент, работающий на жидком металлическом натрии. В каком-то смысле это гибрид батареи и топливного бака, потому что натрий расходуется во время перелета, как бензин в баке, и его на земле надо восполнить, то есть залить новую порцию жидкого металла. Никакой зарядки, а обычная заправка.

Топливный элемент на натрии работает так. Представьте себе U-образную трубку, одно колено которой заполнено жидким металлом, а другое — воздухом. На границе раздела, где металл контактирует с воздухом, размещена пористая керамическая мембрана, которая играет роль твердого электролита. (Joule)

Все мы помним школьный опыт, который нам показывали на уроке химии: учитель бросал кусочек натрия в воду, и тот загорался, бешено носился по воде и иногда даже взрывался. Было очень хорошо видно, сколь много энергии выделяется при взаимодействии натрия с водой. В новом топливном элементе, по сути, происходит то же самое: натрий взаимодействует с кислородом и влагой воздуха (правда, не столь бурно), окисляется и превращается в оксид натрия. Энергия, которая выделяется в результате этой реакции, преобразуется в электричество и питает электродвигатель.

Как видите, никаких парниковых газов топливный элемент не выделяет. Более того, он их поглощает. Дело в том, что образовавшийся оксид натрия взаимодействует с влагой и СО₂, которые содержатся в воздухе, и превращается в бикарбонат натрия NaНCO₃. Да, вы не ошиблись, в пищевую соду. И этот образовавшийся отход можно смело выбрасывать в океан, где он совершенно органичен. Летит такой самолет, а из его выхлопных труб вылетает пищевая сода, растворенная в воде.

После рейса кассету с топливным элементом, в котором жидкого натрия уже нет — он израсходовался, заменяют новой, заполненной.

Решение выглядит оригинальным и как будто бы экономически целесообразным. Все мы знаем об ограниченности запасов лития на Земле — содержание лития в земной коре составляет 6,5·10^–3% по массе, а дефицит всегда ведет к росту цены. А вот с натрием нет проблем — его залежи в морской воде бесконечны, да и месторождений каменной соли изрядно. Содержание натрия в земной коре 2,27% по массе, то есть в несколько тысяч раз больше, чем лития. К тому же отработавший натрий возвращается в океан.

Но возникает дугой вопрос. На той высоте, где летают самолеты, влажность воздуха очень маленькая, меньше, чем в Сахаре (20% против 25%). Как же натрий будет взаимодействовать с таким сухим воздухом? Наверное, разработчики знают ответ.

Думаю, надо дождаться «полевых испытаний». Во всяком случае исследователи верят в успех. Иначе они не создавали бы компанию Propel Aero, которая собралась сделать топливный элемент размером примерно с кирпич, чтобы приводить в действие большой сельскохозяйственный дрон. Посмотрим. Даже интересно.