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Nasa testet neue Batterie – ein Gamechanger für den elektrischen Flugverkehr?
„E-Auto fahren? Nein, danke!“ Das denken sich wohl noch viele Menschen, obwohl sie gerne dem Klima etwas Gutes tun würden. Das größte Problem an Lithium-Ionen-Akkus, mit denen die meisten E-Autos betrieben werden, ist nämlich: Sie brauchen ewig, um wieder voll aufgeladen zu werden.
Elon Musks bestes Auto – das Tesla Model S Plaid – braucht beispielsweise eine ganze Stunde, um von 0 auf 100 Prozent aufzuladen, während ein vergleichbares Benzinauto in nicht mal drei Minuten aufgetankt werden kann.
Und wie sieht es mit einem elektrischen Flugzeug aus, das mit Lithium-Ionen-Akkus läuft? Zu schwer und zu wenig Reichweite. Die Batterien bräuchten viel Kühlverpackung, was ihr Gewicht weiter erhöhen würde. Sie neigen außerdem dazu, Feuer zu fangen oder beim Aufprall zu explodieren, was es extrem schwierig macht, sie zu recyceln.
Eine Forschungsarbeit aus dem Jahr 2021 vom Department of Mechanical Engineering der Carnegie Mellon University hat festgestellt, dass kleine Regionalflugzeuge Batterien mit einer Leistungsdichte von mindestens 480 Wattstunden pro Kilogramm benötigen. Die 4680-Zellen von Tesla haben beispielsweise eine Energiedichte von rund 300 Wattstunden pro Kilogramm – zu wenig also.
Zu allem Überfluss bestehen die Batterien aus Elementen wie Lithium oder Kobalt – Ressourcen, die auf der Erde sehr knapp sind. Solomon Asfaw, Professor für Solarökonomie und Forscher an der Universität LUT in Finnland, glaubt, dass uns das Lithium bis zum Jahr 2050 sogar komplett ausgehen wird.
Hier kommen das Wundermaterial Graphen und eine neue Technologie ins Spiel, an der die Nasa seit einiger Zeit arbeitet. Das Projekts Sabers (Solid-State Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety), bei dem sichere Lithium-Ionen-Festkörperbatterien für die Luftfahrt entwickelt werden, hat nach umfangreicher Forschung einen großen Durchbruch erzielt: 500 Wattstunden pro Kilogramm Energiedichte. Das ist fast das Doppelte dessen, was andere EV-Batterien derzeit erreichen.
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Diese Batterie könnte elektrisches Fliegen in Zukunft möglich machen. Das Nasa-Team hat es mittels innovativer Verpackungen außerdem geschafft, eine Batterie herzustellen, die viel leichter als herkömmliche Batterien ist. Bei gewöhnlichen Batterien sind einzelne Zellen separat verpackt.
Die Batterien von Sabers sind anders, denn sie stapeln Zellen übereinander. Die Nasa hat damit das Problem der Einzelzellenverpackung gelöst, um das Batteriegewicht um 30-40 Prozent zu reduzieren und die Energiedichte zu verdoppeln.
Sabers wurde am Nasa Glenn Research Center in Cleveland, Ohio, von einem Ingenieurteam unter der Leitung von Rocco Viggiano entwickelt und soll leistungsstark, leicht, schnell aufzuladen, für jede Anwendung skalierbar und extrem sicher sein. Die Batterie soll sogar so sicher sein, dass sie auch dann weiter funktioniert, wenn sie beim Aufprall schwer beschädigt wurde. Tests hätten das bereits gezeigt.
„Sabers übertrifft weiterhin unsere Erwartungen“, sagte Viggiano in einer Pressemitteilung der Nasa. „Wir beginnen, uns dieser neuen Grenze der Batterieforschung zu nähern, die so viel mehr leisten könnte als Lithium-Ionen-Batterien. Die Möglichkeiten sind ziemlich unglaublich.“
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Die Luftfahrt geht in erster Linie auf ein hybrides Modell raus: Elektroantriebskomponenten, gepaart mit Turbinen, angetrieben von eFuels.
Das ist schon deshalb so, weil für Interkontinentalflüge eine Reisegeschwindigkeit von ca. 800 km/h und mehr notwendig sind und (elektrisch) angetriebene Propellersysteme kaum mehr als 600 km/h erreichen. Für Regionalverkehr OK, aber für Interkontinentalflüge ist eher eine weit höhere Reichweite mit entsprechender Einsparung von Sprit die wesentlich wichtigere Sache.
Dass die bisher verwendeten Akkus bestenfalls ein Zwischenstadium darstellen, weiß jeder, der sich auch nur halbwegs mit dem Thema beschäftigt. Akku-Autofahrer fahren vor allem jede Menge Blech in der Landschaft herum, weil jede Zelle derzeit einzeln mit Blech „verpackt“ werden muss. Die Leistungsdichte ist grottenschlecht. Die vorgestellte Lösung ist mit Sicherheit eine der Wege, die aus dieser Misere heraus führen, wobei dann immer noch das Problem der Begrenzung der Reisegeschwindigkeit besteht.