Das Langley Research Center der NASA hat eine weitere Phase von Thermovakuumtests für das SPEARS-Projekt (Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space) abgeschlossen – Festkörperbatterien, die für den Betrieb unter den extremen Bedingungen der Mondoberfläche ausgelegt sind, wo die Temperaturen während der Mondnacht auf −200 °C fallen. Prototypzellen zeigten einen stabilen Betrieb im Bereich von +80 °C bis −60 °C und bei leicht reduzierter Leistung bis zu −80 °C. Das bedeutendste Ergebnis war, dass die Energiezellen zyklische Belastungen von Temperaturen zwischen +100 °C und −170 °C ohne jegliche strukturelle Schäden überstanden, was den Weg für ihren Einsatz in Anwendungen ebnet, in denen herkömmliche Batterien schlichtweg versagen.

Warum Lithium-Ionen-Batterien auf dem Mond nicht überleben

Klassische Lithium-Ionen-Akkus mit flüssigem Elektrolyten sind unter Mondbedingungen nahezu nutzlos. Die Flüssigkeit im Elektrolyten gefriert während der Mondnacht und kann im Vakuum sieden, was zur Zerstörung der inneren Struktur der Zelle und zum Kapazitätsverlust führt. Für einen Mond-Rover, der in dauerhaft beschattete Krater einfährt, oder für das Lebenserhaltungs-Notfallset eines Astronauten, bei dem jedes Gramm Masse und jedes Watt Leistung kritisch sind, ist eine solche Instabilität inakzeptabel. Genau deshalb hat das SPEARS-Team darauf gesetzt, den flüssigen Elektrolyten durch ein festes Keramik- oder Polymermaterial zu ersetzen, das im Betriebstemperaturbereich keinen Phasenübergängen unterliegt.

Thermovakuumtests: Zahlen und Erfolge

Yi Lin, Leiter der SPEARS-Tests am Langley Research Center, berichtete, dass in der aktuellen Phase die Funktionsfähigkeit der Zellen bei −80 °C nachgewiesen wurde und der Bereich weiter ausgebaut werden soll. Jüngsten Thermovakuumtests zufolge lieferten Prototypen ihre Nennleistung bei +80 °C stabil und hielten den Nominalbetrieb bis zu −60 °C aufrecht; unterhalb dieser Schwelle sank die Leistung, aber die Zellen funktionierten bis hinunter zu −80 °C weiter. Von entscheidender Bedeutung ist, dass der Festkörperelektrolyt im Vakuum weder gefriert noch verdampft und es zur Rückkehr der Batterie in den vollen Betriebsbetrieb nach längerer Inaktivität lediglich ausreicht, eine integrierte, schwache Heizung kurzzeitig einzuschalten. Dies macht massive, energieintensive Dauerthermostatsysteme überflüssig, die zuvor erforderlich waren, um Lithium-Ionen-Akkus betriebsbereit zu halten.

Flexible „Chemie“ für spezifische Aufgaben

„Wir können die Chemie über die Wahl der Elektrodenmaterialien anpassen“, erklärte Yi Lin. „Genau wie sich die Chemie in Kopfhörern von der in einem Telefon und diese wiederum von der im Auto unterscheidet, können all diese Elektrochemien mit einem festen Elektrolyten arbeiten. Man kann die Zelle auf Energie, Leistung oder Langlebigkeit optimieren.“ Dieser Ansatz ermöglicht es, Batterien für eine konkrete Mission zu entwerfen: Für einen Rover, der maximale Kapazität für eine mehrtägige Route benötigt, und für ein Notfallset, bei dem es in den ersten Sekunden auf Spitzenleistung ankommt, werden bei gleichem Festkörperelektrolyten unterschiedliche Kombinationen von Elektrodenmaterialien verwendet.

Der Weg zu Raumfahrttests und terrestrischen Perspektiven

Parallel zu den Arbeiten in Langley entwickelt das Ames Research Center der NASA die Flug-Hardware, die zur Vorbereitung von SPEARS auf Orbital- und letztlich Mondtests erforderlich ist. Die Technologie wird auch für kommerzielle terrestrische Anwendungen in Betracht gezogen: von Elektrofahrzeugen und unbemannten Luftfahrzeugen bis hin zu tragbaren Kommunikationsgeräten, die unter arktischen und hochalpinen Bedingungen arbeiten. Wenn das SPEARS-Programm die Weltraumvalidierung erfolgreich abschließt, könnten Festkörperbatterien die Standardstromquelle für die gesamte Mondinfrastruktur werden – von wissenschaftlichen Stationen bis hin zu Fahrzeugen, die unter Bedingungen arbeiten, bei denen keine herkömmliche Energiequelle wiederholten täglichen Temperaturschwankungen standhält.