Зачем Луне новые батареи? Как NASA решает проблему лютого холода
Ночная температура на южном полюсе Луны падает до минус 200 градусов Цельсия. В таких условиях обычный литий-ионный аккумулятор превращается в бесполезный кусок металла и пластика: жидкий электролит внутри него замерзает, и батарея перестаёт отдавать энергию. Для будущих лунных миссий, когда астронавтам понадобятся инструменты, роверы и аварийные источники питания, такие сбои недопустимы. Именно поэтому инженеры NASA разрабатывают твёрдотельные батареи проекта SPEARS — Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space. О новой технологии рассказывает статья на Phys.org.
Почему обычные аккумуляторы сдаются на морозе
Каждый, кто зимой пытался завести автомобиль после холодной ночи, знает, как капризны батареи на морозе. Стартер крутит вяло, фары тускнеют, а иногда двигатель и вовсе не запускается. Причина — в замедлении химических реакций и росте внутреннего сопротивления. В литий-ионных аккумуляторах, от которых работают смартфоны, ноутбуки и электрокары, эту роль играет жидкий электролит. И именно он становится слабым звеном за пределами Земли.
На Луне всё ещё жёстче. Ночью на южном полюсе столбик термометра опускается до минус 200°C, а днём поднимается до 100°C. Жидкий электролит при таком холоде замерзает, кристаллы льда повреждают структуру элемента. При перегреве батарея отказывается работать, пока не остынет. А в открытом космосе, в вакууме, жидкость просто испаряется. Любая традиционная батарея не пережила бы и одного лунного цикла.
«Аккумуляторы стали важной частью нашей жизни на Земле, — говорит Дональд Дорнбуш, руководитель проекта SPEARS. — Они понадобятся нам и на Луне, где должны работать надёжно и безопасно в этом суровом окружении».
Твёрдый электролит: как это работает
Инженеры решили заменить жидкий электролит твёрдым материалом — керамикой или полимером. Такая конструкция не боится ни мороза, ни жары, ни вакуума. Во время тепловакуумных испытаний в исследовательском центре NASA Langley прототипы небольших батарей стабильно работали в диапазоне от 80°C до минус 60°C. С небольшим снижением производительности элементы функционировали даже при минус 80°C.
«Мы впервые доказали, что такие элементы могут работать при минус 80°C», — говорит Ии Лин, руководитель испытаний SPEARS в NASA Langley.
По его словам, в ближайшие годы этот диапазон удастся расширить — команда видит несколько перспективных направлений для улучшения характеристик.
Особенно важна устойчивость к перепадам температур. В ходе тестов батареи выдерживали циклы от 100°C до минус 170°C без повреждений. При температуре ниже минус 170°C они, как и любые электрохимические системы, перестают работать, но и не выходят из строя. Твёрдый электролит не замерзает, в отличие от жидкости, поэтому достаточно лишь слегка прогреть батарею, чтобы она снова ожила.
Для Луны и для Земли
Области применения таких источников питания на Луне очень широки. Твёрдые батареи понадобятся для небольших дрелей, которые будут работать в тени глубоких кратеров, для роверов, исследующих самые тёмные участки южного полюса, и для аварийных комплектов астронавтов. Они также подойдут для длительных научных экспериментов, где оборудование должно функционировать автономно месяцами.
Химию аккумулятора можно подстраивать под задачу, меняя материалы электродов. «Мы можем настраивать элемент на максимальную энергию, максимальную мощность или максимальную долговечность», — поясняет Ии Лин. Твёрдый электролит совместим с разными химическими составами — как в обычной жизни: химия внутри наушников не такая, как в телефоне, а в телефоне — не такая, как в автомобиле.
Земной потенциал технологии не менее важен. Джи Су, специалист по полимерным материалам из NASA Langley, называет рынок потенциально огромным. Среди возможных применений:
- электромобили и гибридные автомобили;
- смартфоны и другая портативная электроника;
- дроны и системы связи;
- автономные датчики и устройства интернета вещей.
SPEARS вырос из более раннего проекта, который занимался батареями для авиации, — так что в каком-то смысле технология возвращается на Землю, но уже в новом облике.
Терморегуляция без лишнего веса
Ещё одно важное достоинство твёрдотельных батарей — экономия массы. Поскольку аккумулятору не нужен постоянный подогрев, отпадает необходимость в тяжёлых системах терморегулирования, которые защищают обычные батареи от перепадов температур. Вместо этого достаточно компактного нагревателя, включающегося лишь перед началом работы. Это делает конструкцию лунных аппаратов и баз проще и легче, а значит — снижает стоимость запуска и увеличивает возможную продолжительность миссий.
Над проектом работают сразу несколько исследовательских центров NASA. Головной офис — в Glenn Research Center в Кливленде, где руководит проектом Дональд Дорнбуш. В Ames Research Center в Кремниевой долине создают испытательные платы и электронику, чтобы подготовить батареи к полёту и проверить их в реальных космических условиях.
Проект SPEARS официально стартовал в 2026 году. На первых этапах планируется сосредоточиться на отработке технологии, а затем возможно коммерческое сотрудничество.
Смогут ли такие батареи однажды заменить привычные литий-ионные элементы в наших автомобилях и смартфонах? Возможно, ответ принесут уже первые миссии «Артемида», когда астронавты испытают технологию в самом суровом месте Солнечной системы, доступном человеку. История уже знает примеры, когда космические разработки становились частью повседневной жизни — так было с солнечными панелями и беспроводными пылесосами. И если твёрдотельный аккумулятор переживёт лунную ночь, он, скорее всего, справится и с земной зимой.
