Il futuro degli aerei elettrici passa per il sodio: il MIT svela una fuel cell tre volte più efficiente delle batterie agli ioni di litio

Più di tre volte l'energia per unità di peso rispetto a una batteria agli ioni di litio. È il risultato raggiunto da una nuova fuel cell sviluppata al MIT, e progettata per sfruttare sodio liquido e ossigeno atmosferico come elementi reattivi in un sistema elettrochimico a flusso continuo. La configurazione, che impiega una membrana ceramica solida come elettrolita e un elettrodo poroso esposto all’aria, ha raggiunto in laboratorio valori oltre i 1.000 Wh/kg.

Un traguardo che, secondo Yet-Ming Chiang, docente di Scienza dei Materiali e Ingegneria al MIT, può rendere realistico il trasporto aereo elettrico regionale. Si tratta di un target che le attuali tecnologie agli ioni di litio non sono nemmeno in grado di avvicinare, ferme a circa 300 Wh/kg. Superare la soglia dei 1.000 Wh/kg apre infatti la strada all'elettrificazione di circa l'80% dei voli interni statunitensi, che rappresentano quasi un terzo delle emissioni del settore aereo.

Due i prototipi realizzati in laboratorio: una cella verticale a "H", in cui sodio e aria sono contenuti in tubi separati collegati da un ponte centrale, e una versione orizzontale in cui il sodio liquido è depositato su un vassoio di materiale ceramico, con l’elettrodo d'aria posizionato sul fondo. La chiave delle prestazioni sta nel controllo dell'umidità: l'aria con un livello di umidità adeguato favorisce la formazione di prodotti di scarica liquidi, più facili da espellere dal sistema, e questo consente di evitare l'accumulo di residui solidi che limiterebbero la reattività.

Il sistema funziona più come una pila a combustibile che come una batteria: il sodio viene consumato gradualmente e sostituito con nuove cartucce (ovvero dei moduli preconfezionati e sigillati contenenti il combustibile, cioè sodio liquido, e gli elementi reattivi necessari alla generazione di energia) una volta esaurito, il che rende il "rifornimento" particolarmente rapido. Il combustibile di scarto non è un problema ambientale: il sodio reagisce naturalmente con l'umidità e l'anidride carbonica dell'aria fino a generare bicarbonato di sodio, una sostanza che può contribuire anche alla deacidificazione degli oceani.

Dal punto di vista della sicurezza, il design riduce i rischi rispetto a una batteria tradizionale: le due sostanze reattive non sono mai a contatto diretto e una delle due — l’aria — è già naturalmente diluita, il che limita la possibilità di reazioni incontrollate in caso di danneggiamenti.

l team ha già avviato una startup, Propel Aero, ospitata dall'incubatore The Engine del MIT, con l’obiettivo di sviluppare una versione commerciale del sistema. Il primo obiettivo sarà una cella grande quanto un mattone, capace di alimentare droni di grandi dimensioni destinati ad applicazioni agricole.

La produzione su larga scala del sodio liquido, che fonde a 98 °C, non presenta ostacoli tecnologici rilevanti: in passato è stato prodotto a ritmi di 200.000 tonnellate all'anno per usi industriali. Il sodio deriva infatti dal sale, è abbondante, distribuito in tutto il mondo e, al contrario del litio, semplice da estrarre.

Alla base del risultato c'è una sinergia tra discipline diverse: dalla progettazione degli elettrodi tipica delle fuel cell, alle ricerche storiche sulle batterie al sodio ad alta temperatura, fino agli studi più recenti sulle celle metallo-aria. Una convergenza che, come sottolinea il dottorando Saahir Ganti-Agrawal, ha generato un salto netto in prestazioni, fino a poter rendere più praticabile l'aviazione elettrica.