液態金屬鈉燃料電池：航空業碳捕捉的未來曙光

在全球追求低碳替代方案的浪潮中，長途運輸始終是最難脫碳的領域之一。雖然電動飛機製造商已開始展示量產機型，甚至用於訓練飛行，但現有機型體積小、航程有限，若未經重大升級，僅能鎖定利基市場。

跨洲際飛行面臨更大挑戰，因為所需電池重量過高。現有替代方案各有缺陷，這促使麻省理工學院蔣業明教授團隊決定跳脫框架思考。他們提出革命性構想：讓液態金屬鈉與空氣中的氧氣在燃料電池中產生反應。

「我們預期多數人會覺得這想法瘋狂至極，」蔣教授直言，「若他們不這麼想，我反而會失望。因為真正具革命性的構想，最初總是被視為天方夜譚。」

燃料電池本身並非新概念。氫燃料電池曾被視為零排放陸運的首選，但鋰電池技術後來居上。如今電動車不僅主宰低碳乘用車市場，在巴士與卡車領域也逐漸取代曾被看好的氫能技術。航空用氫燃料電池雖仍有支持者，但市場信心正持續消退。

雖然鈉比氫重（其實所有元素都比氫重），在講究重量的航空領域看似不切實際。但相較於氫燃料儲存系統的龐大重量，熔點僅98°C的金屬鈉在實用性上更具優勢。

這項技術採用與鈉空氣電池相同的化學反應機制（蔣教授團隊對此有深入研究）。但燃料電池無需可充電設計，解決了鈉空氣電池在非純氧環境運作的技術瓶頸。反應產生的過氧化鈉可像傳統燃油般排放，或儲存供工業使用。

特別值得注意的是，傳統航空排放不僅產生大量二氧化碳，在特定大氣條件下，黑碳粒子更會使航空溫室效應倍增。而鈉燃料電池釋放的氧化鈉，能在高空與二氧化碳結合形成碳酸氫鈉，實質達成碳捕捉。

飛行中排放的碳酸氫鈉粉末濃度極低，幾乎難以察覺。其鹼性特性還能中和酸雨與海洋酸化問題，儘管效果可能有限。大規模測試將驗證這項「三贏技術」是否潛藏未知風險，例如與罕見汙染物結合的可能性。

「實用化電動航空的門檻約需1,000瓦時/公斤，」蔣教授指出。這雖不足以支援跨大西洋航班，但已能滿足佔航空排放30%的區域航線需求。目前電動車電池能量密度僅300瓦時/公斤，進步空間有限。

實驗室原型在控制濕度條件下，能量密度達1,200-1,540瓦時/公斤。團隊預估商用版本將降至1,000瓦時/公斤，但結果顯示仍有提升潛力。新創公司Propel Aero正進行無人機測試，評估潛在負面效應。

當前最大挑戰在於降低金屬鈉生產成本。由於需持續補充鈉原料（不同於可充電電池），需求量將大幅增加。鈉是地殼第六大元素，佔海水鹽分一半，原料不成問題。美國曾年產20萬噸鈉用於含鉛汽油新增劑，證明其生產與運輸安全性。

共同第一作者Karen Sugano博士候選人發現，空氣濕度決定反應產物形態：「關鍵在於液態產物更易處理，不像乾燥環境會形成固體沉積。」這意味著需為平流層乾燥空氣加濕以維持效率。

若技術成熟，常旅客或能透過「碳捕捉航班」抵銷歷史碳足跡。但研究團隊提醒，現在就預期未來航班能中和度假產生的碳排放，恐怕言之過早。這項突破性研究已發表於《Joule》期刊。