Niemand hat jemals gesagt, dass die Herstellung von Elektroflugzeugen einfach wäre – Mutter Jones

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Vor einigen Jahren, Während der Fahrt auf einem Abschnitt der Interstate zwischen Pittsburgh und San Francisco begann sich Venkat Viswanathan ein wenig existentiell zu fühlen. Seine Reise verlief reibungslos – fast zu reibungslos, dachte er. Er summte immer ein paar hundert Meilen hintereinander und hielt kurz an, um zu essen oder die frühsommerliche Landschaft zu genießen. Es war der klassische Great American Road Trip. Und dass er das in einem Elektroauto tat, war kaum bemerkenswert.

Viswanathan, ein Wissenschaftler an der Carnegie Mellon University, ist Experte für Batterien mit hoher Energiedichte – Designs, die viel Saft auf wenig Platz packen sollen. Manchmal beinhaltet dies eine Chemie, die sich fast phantasievoll anfühlen kann; das Unobtanium der Batterie tech. Aber nachdem er in diesem Sommer von einer vollständig erhältlichen Batterie querfeldein angetrieben worden war, begann er, eine andere Anwendung für seine Arbeit in Betracht zu ziehen. „Ich dachte: ‚Warte, was mache ich mit all diesen neuen Batterien, die ich erfinde?’“, erinnert sich Viswanathan. „Wer wird sie brauchen?“ Er erkannte, dass es eine andere Möglichkeit gab, von Küste zu Küste zu reisen, eine, bei der Batterien noch lange nicht dekarbonisiert waren: Fliegen.

In den letzten Jahren hat sich die Batterieindustrie weitgehend auf Autos konzentriert, was zu stetigen, inkrementellen Verbesserungen eines bestimmten wissenschaftlichen Ansatzes geführt hat. Dabei handelt es sich um Lithium-Ionen, die sich zwischen einer Kathode aus einigen Metalloxiden – darunter Nickel, Kobalt, Mangan und Eisen – und einer Anode aus Graphit bewegen. Dieses klassische Rezept ist ziemlich gut geworden. In letzter Zeit haben Lithium-Ionen-Batterien die Reichweite von Personenkraftwagen auf über 400 Meilen erhöht – ungefähr so ​​​​gut wie viele Verbrennungsmotoren und genug, um die „Reichweitenangst“ zu überwinden, die manche Fahrer möglicherweise davon abhält, auf Elektroautos umzusteigen. Da sie sich jedoch der theoretischen Grenze ihrer Speicherkapazität nähern, bleiben Lithium-Ionen-Batterien deutlich hinter dem zurück, was für die meisten Flugzeuge erforderlich ist.

Mit diesem Problem beschäftigt sich die Luftfahrtindustrie schon länger. Die Branche trägt etwa 2 Prozent zu den globalen CO2-Emissionen bei – eine relativ kleine Zahl, die jedoch stark wachsen wird, da immer mehr Menschen in die Lüfte steigen. (Nur etwa einer von zehn Menschen fliegt jedes Jahr, und eine Studie aus dem Jahr 2018 schätzt, dass 1 Prozent der Weltbevölkerung für die Hälfte der Flugverkehrsemissionen verantwortlich ist.) Wenn diese Flugzeuge elektrisch betrieben werden, braucht Viswanathan Batterien radikal umdenken. Auch Regionaljets, die für relativ kurze Sprünge gedacht sind, benötigen Batterien, die leicht, aber ausreichend leistungsstark sind. Sie brauchen genug Kraft für den Start und dann genug Energie, um sicher über lange Strecken zu fliegen. Es ist möglich, dass dies niemals praktikabel sein wird – und dass eine umweltfreundlichere Luftfahrt andere Ansätze wie Wasserstoff oder synthetischen Düsentreibstoff erfordern wird.

Oder indem Sie einige Batteriegrundlagen überdenken. Letzte Woche veröffentlichte Viswanathan zusammen mit anderen Batterie- und Luftfahrtexperten in Natur was er als „Weckruf“ an die Industrie betrachtet, in die Grundlagenforschung zu investieren, die über den Wechsel von Lithium-Ionen hinausgeht. Die Autoren plädieren insbesondere für neue Kathoden mit exotischeren Materialien, von denen einige sogenannte Konversionsreaktionen hervorrufen, die mehr Elektronen bewegen und potenziell mehr Energie packen können. Es sind Dinge, die die Leute seit den 1970er Jahren, als Kobalt begann, sich durchzusetzen, nicht mehr wirklich in Betracht gezogen haben. Das Projekt des US-Energieministeriums hat sich zum Ziel gesetzt, eine Batterie zu bauen, die 500 Wattstunden Energie pro Kilogramm speichern kann. Viswanathan und seine Co-Autoren glauben, dass wir für ein Arbeitstier der Lüfte wie die Boeing 737 das Doppelte brauchen werden, und wir brauchen neue Chemien, um uns dorthin zu bringen. „Wir versuchen, den Torpfosten zu verschieben“, sagt er.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist eine chemische Liebesgeschichte. Lithium-Ionen und Elektronen, die einmal durch eine Ladung voneinander getrennt wurden, streben immer danach, sich wieder zu vereinen. Das Wandern dieser Elektronen durch eine Batteriezelle erzeugt einen Strom. Aber in diesem Sinne ist Lithium begrenzt, weil es nur ein Elektron abgeben muss. Theoretisch würden mehr Elektronen, die sich bewegen, mehr Energie bedeuten, was andere Elemente möglicherweise bieten können. Versuchen Sie es vielleicht mit Jod oder Schwefel oder Fluor, und Sie können mehr Elektronen zum Summen bringen.

Aber es gibt einen Haken in diesem Plan. Das Schöne an aktuellen Batterien ist, dass sich Lithium-Ionen hin und her bewegen können, ohne viel Aufhebens zu machen. Sie werden von der Kathode eingefangen und freigesetzt – ein Vorgang, der als Insertion bezeichnet wird –, aber sobald sie sich darin befinden, reagieren die Ionen nicht mit den anderen Materialien und ordnen die Atomanordnungen neu. Bei einigen anderen Elementen ist dies nicht der Fall. „Wir haben neue Materialien, die es von Anfang an nicht gab“, sagt Esther Takeuchi, Batteriewissenschaftlerin bei SUNY Stony Brook. Daher der Begriff „Umwandlungsreaktion“. Diese chemischen Reaktionen sind kompliziert und führen zu elektrochemischen Veränderungen sowie zu Volumenänderungen. Aber vielleicht ist das größte Problem dann, diese Art von Batterien wieder aufzuladen. Sobald Sie den Inhalt einer Batterie ausgetauscht haben, kann es schwierig sein, zu den Materialien zurückzukehren, die zuvor dort waren.

Für die Arten von Batterien, mit denen Takeuchi arbeitet, ist ein Aufladen normalerweise nicht erforderlich. Ihre Spezialität ist es, viel Energie in kleine Räume zu packen, wie medizinische Geräte, die mit einer einzigen Ladung lange halten müssen – ein Leben lang, da ein Aufladen oder ein Batteriewechsel möglicherweise einen chirurgischen Eingriff erfordert. Eines ihrer älteren Designs mit Vanadium ist heute in Herzschrittmachern allgegenwärtig. Aber seitdem hat ihr Team untersucht, wie Umwandlungschemien wie fluorierter Kohlenstoff (als CFx bezeichnet) oder Jod noch besser funktionieren könnten.

Für Flugzeuge gilt das gleiche Prinzip der Platz- und Gewichtsersparnis, um über lange Strecken in der Luft zu bleiben. Aber eine Batterie, die nur ein einziges Leben hat, funktioniert nicht für ein Flugzeug, das mit jedem Bein aufladen muss. Im Labor hatten Forscher einige Erfolge bei der Umkehrung dieser Umwandlungsreaktionen, aber nur, um sich anderen Problemen zu stellen. Einer der am weitesten fortgeschrittenen Konkurrenten ist die Lithium-Schwefel-Batterie – eine äußerst wünschenswerte Chemie, da Schwefel billig und reichlich vorhanden ist. Das Problem ist, dass es zwischen dem Schwefel an der Anode und im Elektrolyten zu unerwünschten Reaktionen kommen kann. Dies kann zu chemischen Ablagerungen führen, was bedeutet, dass die Batterie mit der Zeit ihre Fähigkeit verliert, sich wieder aufzuladen. Manchmal bilden diese Reaktionen ein lästiges Ding namens Dendriten – eine Materialader im Elektrolyten, die sich allmählich ausdehnt und schließlich die Anode und die Kathode verbinden kann, was einen Kurzschluss verursacht – und ein Feuer.

Während Umwandlungsreaktionen eine Menge neuartiger Chemie beinhalten, weist Takeuchi darauf hin, dass sie den Weg, den Batterien bisher eingeschlagen haben, nicht vollständig aufgeben. Jede neue Kathodenchemie wird auch vom Erfolg kurzfristiger Verbesserungen der Batteriekapazität abhängen, wie z. B. neue Anoden aus anderen Materialien als Graphit.

Eines davon ist Lithiummetall. Während Graphit wegen seiner Stabilität eine gute Wahl war, hat Lithiummetall einige verbesserte elektrochemische Eigenschaften und nimmt einfach weniger Platz ein als herkömmliche Designs. Richard Wang, CEO von Cuberg, einem Lithium-Metall-Batterie-Startup, das kürzlich von Northvolt, einem schwedischen Batteriehersteller, übernommen wurde, sagt, dass sein Design eine 70-prozentige Steigerung der Energiedichte erhält. Wang beschloss, sein Startup auf die Luftfahrtindustrie zu konzentrieren, weil es der Verbesserung der Energiedichte einen höheren Stellenwert beimessen würde. Die Idee des Unternehmens ist es, relativ kleine Flugzeuge anzutreiben; Sie haben sich mit Startups zusammengetan, die vertikale Liftoff-Fahrzeuge herstellen möchten, die über eine kurze Reichweite betrieben werden können.

Es ist möglich, dass diese Lithium-Metall-Anoden mit experimentelleren Kathodenchemien gepaart werden könnten, um größere Flugzeuge anzutreiben, aber der Weg ist ungewiss, sagt Wang. Es ist eine klassische Gurke: Flugzeughersteller wollen Gewissheit, dass Big-Sprung-Technologien funktionieren werden, während die Batterie-Startups (und ihre potenziellen Geldgeber) Zusicherungen brauchen, dass ihre Experimente letztendlich einen Nutzen haben werden. Die Wahrheit ist, dass Flugzeughersteller es möglicherweise weniger nützlich finden, größere Flugzeuge zu elektrifizieren, sagt er. Sie könnten sich entscheiden, mit Batterien aufzuhören, die kurze regionale Strecken bewältigen. Für längere Strecken, auf denen vorhandene Batterien weniger praktisch sind, könnte es stattdessen hybride Ansätze geben, bei denen ein Gasmotor zwischen Start und Landung übernimmt, oder umweltfreundlichere Düsentreibstoffe oder vielleicht Wasserstoff, wenn die Infrastruktur zusammen mit einer umweltfreundlichen Art der Produktion aussortiert wird es. Noch ist niemand sicher, wo er seine Wetten platzieren soll.

George Bye, der Gründer von Bye Aerospace, nennt das den „weißen Raum“ der Elektroflugzeug-Innovation. Er zieht eine solide Fortschrittslinie für Lithium-Ionen-Batterien, die kleine Elektroflugzeuge antreiben, wie die zwei- und viersitzigen Trainingsflugzeuge, die sein Unternehmen baut, und danach eine gestrichelte Linie von Lithium-Metall- und anderen fast schon vorhandenen Innovationen, wie z Festkörperbatterien, die die Kapazität und Entfernung ausdehnen, die Elektroflugzeuge fliegen können. Dann, danach – wer weiß? Weißer Raum. Sein eigenes Unternehmen hat Lithium-Schwefel für größere Flugzeuge erforscht, fand es aber noch nicht ganz bereit für die Hauptsendezeit. “Es ist ein bisschen hinterher”, sagt er; Ein Partner, der an der Technologie arbeitete, ging kürzlich bankrott.

Ein Lichtblick, sagt Bye, ist, dass der Gewichts- und Balancevorteil des Austauschs eines komplizierten Düsentriebwerks durch eine elektrische Batterie bedeutet, dass das Flugzeug so konstruiert werden kann, dass es sich effizienter durch die Luft bewegt. Das hilft, die Reichweite und die Fahrgastkapazität zu erhöhen. „Es geht nicht Äpfel um Äpfel, wie manche Leute gerne sagen“, sagt er. Das Unternehmen arbeitet auch an der FAA-Zertifizierung seiner Trainingsflugzeuge, damit es mit der Auslieferung der Hunderte von Bestellungen beginnen kann, die es von Flugschulen und Fluggesellschaften erhalten hat. Zu den Herausforderungen gehört der Nachweis, dass das Flugzeug mit Brandrisiken umgehen kann – eine Frage, die nicht nur von der Chemie, sondern auch vom strukturellen Design der Batteriepakete abhängt – und dennoch eine Notlandung durchführt, selbst wenn eine Batterie durchbrennt.

Große Elektroflugzeuge mit radikal neuen Batterien könnten noch Jahrzehnte entfernt sein. Aber Takeuchi behauptet, dass es für batteriebetriebene Jets „Raum für Optimismus“ gibt. „Manchmal fragen uns Leute, ob das in unseren kühnsten Träumen überhaupt möglich ist“, sagt sie. „Und wenn wir uns die Materialien und die Zahlen ansehen, sagen wir: ‚Ja, das ist es.’“ Sie und ihre Co-Autoren weisen darauf hin, dass die Zukunft der Luftfahrt ursprünglich elektrisch war. 1884 flog der erste Rundflug eines Luftfahrzeugs – das Luftschiff *La France –* mit der Kraft einer massiven Zink-Chlor-Batterie. Fast anderthalb Jahrhunderte später glaubt sie, dass Elektro bereit für ein Comeback ist.