Zwykły akumulator nie lubi mrozu, a na Księżycu problem urasta do zupełnie innej skali. NASA testuje więc ogniwa, które mają przetrwać ekstremalne temperatury bez ciągłego ogrzewania. Najnowsze prototypy projektu SPEARS wytrzymały schłodzenie do około -170°C i po ponownym ogrzaniu nadal działały.
Nie oznacza to jednak, że bateria dostarczała energię przy -170°C. Podczas testów prototypowe ogniwa pracowały z dobrą wydajnością do około -60°C, a przy -80°C nadal działały, choć ich osiągi spadały. Dla przyszłych łazików, instrumentów i sprzętu używanego w zacienionych kraterach Księżyca już taki wynik ma duże znaczenie.
Najważniejsze informacje w skrócie:
- projekt NASA nosi nazwę SPEARS
- prototypowe ogniwa działały do około -80°C
- przy -60°C zachowywały dobrą wydajność
- testy odporności obejmowały temperatury od +100°C do -170°C
- przy -170°C bateria nie pracowała, ale przetrwała schłodzenie bez uszkodzenia
- po ogrzaniu ogniwa mogły ponownie rozpocząć pracę
- zamiast ciekłego elektrolitu zastosowano materiał stały
- technologia może zasilać łaziki, narzędzia, instrumenty naukowe i awaryjne zestawy astronautów
-170°C robi wrażenie, ale bateria wtedy nie pracowała
Najważniejsze w wynikach NASA jest rozdzielenie dwóch różnych testów. Podczas pracy małe prototypowe ogniwa SPEARS radziły sobie dobrze w temperaturach od około +80°C do -60°C. Przy -80°C nadal dostarczały energię, choć ich wydajność była już nieco niższa. NASA określa ten rezultat jako pierwszy przypadek potwierdzenia pracy tych ogniw przy tak niskiej temperaturze.
Osobno sprawdzano odporność na znacznie większe skrajności. Ogniwa wystawiono na temperatury od około +100°C aż do -170°C i po takim cyklu nie stwierdzono trwałego uszkodzenia. Przy -170°C nie mogły normalnie pracować – po prostu przetrwały ekstremalne wychłodzenie, a po ogrzaniu wracały do działania.
Dla misji księżycowych różnica jest kluczowa. Akumulator nie musi przez całą noc aktywnie zasilać urządzeń. Może przejść w stan uśpienia, przetrwać największy mróz, a później zostać ogrzany niewielką grzałką i ponownie uruchomiony.
Może Cię zainteresować: ESA wybrała Polaków do zbadania księżycowego górnictwa. W grę wchodzą woda, metale i hel-3
Zwykłe baterie mają na Księżycu poważny problem
Klasyczne akumulatory litowo-jonowe wykorzystują ciekły elektrolit. W bardzo niskiej temperaturze jego właściwości gwałtownie się pogarszają, a przy odpowiednio dużym mrozie może zamarznąć i uszkodzić ogniwo. W próżni pojawia się kolejny problem – ciecz może odparowywać, a wysokie temperatury również wymuszają dokładną kontrolę termiczną.
Na Księżycu trudno uniknąć takich warunków. Szczególnie wymagający jest południowy biegun Księżyca, gdzie znajdują się stale zacienione kratery osiągające temperatury znacznie niższe niż większość miejsc badanych dotąd przez roboty. To właśnie tam NASA planuje rozwijać przyszłą infrastrukturę i prowadzić długotrwałe badania.
Dzisiejszym rozwiązaniem jest ogrzewanie elektroniki i akumulatorów. Każda grzałka potrzebuje jednak energii, izolacji i dodatkowych elementów systemu termicznego. Im mniej sprzętu trzeba stale utrzymywać w komfortowej temperaturze, tym mniej energii i masy trzeba zabierać ze sobą.
SPEARS zamienia ciekły elektrolit na stały
SPEARS to skrót od Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space. Zasadnicza zmiana względem typowego akumulatora polega na zastąpieniu ciekłego elektrolitu materiałem stałym – ceramicznym albo polimerowym. Dzięki temu znika problem zamarzającej cieczy, a sama konstrukcja lepiej znosi próżnię i duże wahania temperatur.
Nie oznacza to, że bateria półprzewodnikowa staje się odporna na wszystko. Procesy elektrochemiczne nadal zwalniają wraz ze spadkiem temperatury, dlatego przy -170°C ogniwo SPEARS również nie jest w stanie normalnie pracować. Stały elektrolit pozwala jednak przetrwać taki stan bez uszkodzeń, które mogłyby pojawić się w bardziej tradycyjnej konstrukcji.
NASA może również dobierać materiały elektrod do konkretnego zastosowania. Jedne warianty mogą być projektowane pod dużą pojemność, inne pod wysoką moc albo większą trwałość. Nie musi więc powstać jedna uniwersalna bateria dla wszystkich urządzeń na Księżycu.
Baterii nie trzeba będzie grzać przez całą księżycową noc
Największa korzyść nie polega na tym, że SPEARS będzie bez problemu zasilać łazik przy -170°C. Znacznie ciekawsza jest możliwość pozostawienia akumulatora w ekstremalnym mrozie bez utrzymywania go przez cały czas w wysokiej temperaturze.
Po zakończeniu okresu największego chłodu niewielka grzałka może podnieść temperaturę ogniwa do zakresu roboczego. Dopiero wtedy bateria rozpoczyna dostarczanie energii. Taki model może ograniczyć rozmiar systemów termicznych, zapotrzebowanie na energię oraz masę całego pojazdu albo instrumentu naukowego.
Przy długotrwałych misjach każdy z tych parametrów ma znaczenie. Sprzęt wysyłany w ramach programu Artemis ma pracować na powierzchni znacznie dłużej niż pojazdy używane podczas programu Apollo. Im mniej energii trzeba przeznaczać wyłącznie na ochronę samego akumulatora, tym więcej można wykorzystać na jazdę, komunikację i badania.
Od wiertarki astronauty po łazik w ciemnym kraterze
NASA wskazuje kilka zastosowań, dla których SPEARS może być szczególnie przydatny. Najmniejsze ogniwa mogą zasilać narzędzia używane przez astronautów oraz awaryjne zestawy energetyczne. Większe systemy są rozważane dla łazików, aparatury naukowej i urządzeń pracujących przez długi czas z dala od stałej infrastruktury.
Ciekawym przypadkiem są stale zacienione kratery. Robot badający takie miejsce nie może liczyć na bezpośrednie światło słoneczne, a panujący tam mróz stanowi dodatkowe obciążenie dla całego systemu energetycznego. Akumulator, który można bezpiecznie pozostawić w niskiej temperaturze i ogrzać dopiero przed kolejnym etapem pracy, upraszcza projekt takiego pojazdu.
SPEARS jest na razie projektem badawczym, a nie gotową baterią montowaną w sprzęcie Artemis. NASA Ames przygotowuje jednak elektronikę i elementy potrzebne do przyszłych testów w warunkach lotu kosmicznego. Dopiero takie próby pokażą, jak technologia zachowa się poza laboratorium.
Księżyc może przyspieszyć rozwój baterii także na Ziemi
Projekt rozpoczął się w 2026 roku i w pierwszej fazie koncentruje się na rozwoju technologii. NASA nie wyklucza późniejszej współpracy z przemysłem, szczególnie że zalety stałych elektrolitów nie ograniczają się do zastosowań kosmicznych.
Odporność na duże wahania temperatury i możliwość zwiększenia bezpieczeństwa interesują również producentów samochodów, dronów, urządzeń mobilnych czy systemów komunikacyjnych. Technologia rozwijana dla łazika pracującego w księżycowym kraterze może więc z czasem znaleźć zastosowanie znacznie bliżej domu.
Na razie najważniejszy wynik jest jednak bardziej konkretny. NASA pokazała, że prototyp może pracować przy -80°C, przetrwać schłodzenie do -170°C i ponownie działać po ogrzaniu. Przy planach długotrwałej obecności ludzi i robotów na Księżycu właśnie taka odporność może okazać się równie ważna jak sama pojemność akumulatora.
Źródło: NASA.
Dziękujemy za przeczytanie artykułu na Techoteka.pl.
Codziennie publikujemy najważniejsze informacje z Polski i ze świata dotyczące technologii, sztucznej inteligencji, nowych rozwiązań cyfrowych oraz trendów technologicznych, które kształtują przyszłość.
Obserwuj nas na Facebooku, aby być na bieżąco z najważniejszymi wydarzeniami ze świata technologii.
