Ekstremalny mróz i próżnia to oczywisty problem dla baterii. NASA znalazła jednak rozwiązanie, które może ułatwić eksplorację południowego bieguna Księżyca.
NASA opracowała akumulator, który przetrwał temperaturę sięgającą -170 st. C i po ogrzaniu może ponownie dostarczać energię. Nowa technologia powstaje przede wszystkim z myślą o przyszłych wyprawach na Księżyc, gdzie choćby najlepsza elektronika staje się bezużyteczna, jeżeli zabraknie jej niezawodnego źródła zasilania.
Co ciekawe, pierwsze testy zakończyły się naprawdę bardzo obiecującymi wynikami. Niewielkie prototypowe ogniwa potrafiły pracować choćby przy -80 st. C, a skrajne zmiany temperatury nie powodowały ich uszkodzenia. To może rozwiązać jeden z problemów, z którymi NASA musi się uporać przed rozpoczęciem długotrwałych misji na powierzchni Srebrnego Globu.
Bateria przetrwała -170 st. C. Po ogrzaniu przez cały czas działała
Za nową technologią stoi projekt SPEARS, czyli Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space. Prace prowadzi NASA Glenn Research Center w Cleveland, a najnowsze próby przeprowadzono w NASA Langley Research Center w stanie Wirginia. Badacze sprawdzili tam zachowanie prototypowych ogniw w komorze próżniowej, w której można odtworzyć część warunków panujących na Księżycu.
Wyniki pokazują, iż urządzenia pracują prawidłowo w temperaturach od -60 do 80 st. C. Przy -80 st. C również potrafią dostarczać energię, choć ich wydajność jest już nieco niższa. To istotne osiągnięcie, ponieważ standardowe akumulatory litowo-jonowe znacznie gorzej radzą sobie z dużym mrozem.
Jeszcze ciekawszy okazał się test odporności na skrajne temperatury. Ogniwa poddano działaniu zimna sięgającego -170 st. C oraz ciepła do 100 st. C. Po takich próbach nie stwierdzono uszkodzeń, które uniemożliwiałyby ich dalsze użytkowanie.
Zamiast cieczy zastosowali ceramikę i polimery
W tradycyjnych akumulatorach litowo-jonowych pomiędzy elektrodami znajduje się elektrolit, najczęściej w postaci cieczy. Umożliwia on przemieszczanie się jonów litu podczas ładowania i rozładowywania ogniwa. Bez tego procesu bateria nie byłaby w stanie magazynować i oddawać energii.
Prawdziwy problem pojawia się natomiast w bardzo niskich temperaturach. Elektrolit staje się coraz mniej skuteczny w przewodzeniu jonów, a przy odpowiednio dużym mrozie może zamarznąć. W rezultacie gwałtownie pogarszają się parametry akumulatora, a w skrajnych przypadkach jego struktura może ulec uszkodzeniu.
W SPEARS zastosowano inne rozwiązanie, bowiem ciekły elektrolit zastąpiono materiałem stałym, opartym na ceramice lub polimerach. Dzięki temu nie występuje problem zamarzania cieczy, a odpowiednio dobrany materiał może zachowywać swoje adekwatności choćby po długotrwałym wystawieniu na bardzo niską temperaturę.
Nie oznacza to jednak oczywiście, iż taki akumulator jest całkowicie niewrażliwy na mróz. Transport jonów w stałych elektrolitach również zależy od temperatury, dlatego przy skrajnym wychłodzeniu ogniwo przestaje skutecznie pracować. Jego przewagą może być jednak znacznie większa odporność na uszkodzenia i możliwość ponownego uruchomienia.
NASA liczy przy tym również na poprawę bezpieczeństwa. Brak łatwopalnego ciekłego elektrolitu może ograniczyć część zagrożeń związanych z pożarem, choć nie eliminuje ich całkowicie. Będzie to istotne zwłaszcza w przypadku urządzeń używanych przez astronautów, gdzie awaria zasilania lub zapłon akumulatora mogłyby mieć naprawdę poważne konsekwencje.
Na Księżycu temperatura spada choćby do -200 st. C
Największym wyzwaniem dla konstruktorów pozostaje oczywiście południowy biegun Księżyca. To właśnie w tym rejonie NASA planuje prowadzić przyszłe operacje załogowe w ramach programu Artemis. Warunki są tam jednak wyjątkowo trudne, zwłaszcza w miejscach, do których światło słoneczne dociera bardzo rzadko albo nie dociera wcale.
W najzimniejszych obszarach temperatury mogą spadać do około -200 st. C. Jednocześnie powierzchnia wystawiona na intensywne promieniowanie słoneczne może nagrzewać się do około 100 st. C. Urządzenia pracujące na Księżycu muszą więc wytrzymywać ogromne różnice temperatur, często bez możliwości szybkiego ogrzania lub schłodzenia.
To naprawdę poważny problem nie tylko dla elektroniki, ale także dla infrastruktury energetycznej. NASA przygotowuje już rozwiązania umożliwiające wykorzystanie reaktorów jądrowych na Księżycu, ponieważ same panele słoneczne nie wystarczą do zapewnienia stałego zasilania przyszłych baz.
Akumulatory SPEARS mogłyby zatem sprytnie uzupełnić takie systemy. W okresach, gdy urządzenie nie jest używane, bateria pozostawałaby wychłodzona, a przed ponownym uruchomieniem wystarczyłoby podnieść jej temperaturę dzięki niewielkiej grzałki.
Dzięki temu nie trzeba byłoby przez cały czas dostarczać energii potrzebnej do utrzymania akumulatora w odpowiednich warunkach. Mniejsze zapotrzebowanie na ogrzewanie oznaczałoby możliwość ograniczenia masy systemów termicznych, a każdy zaoszczędzony kilogram ma znaczenie podczas transportowania wyposażenia na Księżyc.
Astronauci będą mogli korzystać z nich w najciemniejszych kraterach
Przyszłe zastosowania nowej technologii nie ograniczają się jednak wyłącznie do zasilania dużych pojazdów. NASA już teraz rozważa wykorzystanie takich ogniw w narzędziach, aparaturze naukowej i przenośnych zestawach awaryjnych. To sprzęt, który może przez długi czas pozostawać nieużywany, a następnie musi uruchomić się niezawodnie.
Dobrym przykładem są tutaj urządzenia wykorzystywane podczas badań stale zacienionych kraterów. Takie miejsca szczególnie interesują naukowców, ponieważ mogą skrywać zasoby lodu wodnego. Jednocześnie należą do najzimniejszych obszarów Księżyca, co bardzo utrudnia prowadzenie w nich prac.
Nowe akumulatory mogłyby zasilać narzędzia wiertnicze, autonomiczne łaziki oraz czujniki pozostawione na powierzchni przez dłuższy czas. W przypadku sprzętu awaryjnego szczególnie cenna byłaby możliwość przechowywania baterii w niskiej temperaturze bez ciągłego zużywania energii na jej ogrzewanie.
Sama technologia nie jest jednak jeszcze gotowa do takich zadań. Dotychczasowe doświadczenia przeprowadzono na niewielkich ogniwach laboratoryjnych. Przed NASA stoją testy większych zestawów akumulatorów, sprawdzenie ich trwałości oraz opracowanie elektroniki niezbędnej do działania w warunkach kosmicznych.
NASA myśli już o zastosowaniach na Ziemi
Choć SPEARS powstaje na potrzeby eksploracji kosmosu, to podobne rozwiązania mogą znaleźć zastosowanie znacznie bliżej nas. Akumulatory odporne na skrajne temperatury przydałyby się w samochodach elektrycznych, dronach, urządzeniach telekomunikacyjnych czy sprzęcie wykorzystywanym w regionach polarnych.
Prace nad takimi konstrukcjami realizowane są zresztą od lat. Opisywaliśmy już wcześniej akumulator, który zachowuje wysoką wydajność choćby przy -50 st. C. W jego przypadku skoncentrowali się na poprawie działania ogniwa podczas mrozu. Tutaj równie istotna jest zdolność przetrwania znacznie niższych temperatur bez trwałego uszkodzenia.
Projekt SPEARS rozpoczął się w 2026 r. i pozostaje na ten moment na bardzo wczesnym etapie rozwoju. NASA Ames Research Center pracuje już nad elementami elektronicznymi, które mają umożliwić przyszłe testowanie technologii w warunkach lotu kosmicznego. W kolejnych etapach agencja rozważa także współpracę z przemysłem.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
