Исследовательский центр Лэнгли NASA завершил очередной этап тепловакуумных испытаний проекта SPEARS (Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space) — твердотельных батарей, рассчитанных на эксплуатацию в экстремальных условиях лунной поверхности, где температура в фазе лунной ночи опускается до −200 °C. Прототипы ячеек продемонстрировали стабильную работу в диапазоне от +80 °C до −60 °C, а при несколько сниженной производительности — до −80 °C. Наиболее значимым результатом стало то, что элементы питания пережили циклическое воздействие температур от +100 °C до −170 °C без каких-либо структурных повреждений, что открывает путь к их применению в задачах, где традиционные аккумуляторы просто не способны функционировать.

Почему литий-ионные батареи не выживают на Луне

Классические литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом в лунных условиях оказываются практически бесполезны. Жидкость в электролите замерзает в течение лунной ночи, а в условиях вакуума может закипеть, что приводит к разрушению внутренней структуры ячейки и потере ёмкости. Для лунного ровера, заезжающего в вечно затемнённые кратеры, или для аварийного комплекта жизнеобеспечения астронава, где каждый грамм массы и каждый ватт мощности критичны, такая нестабильность неприемлема. Именно поэтому команда SPEARS сделала ставку на замену жидкого электролита твёрдым керамическим или полимерным материалом, который не подвержен фазовым переходам в рабочем диапазоне температур.

Тепловакуумные испытания: цифры и достижения

Руководитель тестирования SPEARS в Исследовательском центре Лэнгли Йи Лин сообщил, что на текущем этапе доказана работоспособность ячеек при −80 °C, при этом диапазон планируется расширять. По данным недавних тепловакуумных испытаний, прототипы стабильно выдавали заявленную мощность при +80 °C и сохраняли номинальный режим до −60 °C; ниже этого порога производительность снижалась, но ячейки продолжали функционировать вплоть до −80 °C. Принципиально важным является то, что твердотельный электролит не замерзает и не испаряется в вакууме, а для возврата батареи в полный рабочий режим после длительного простоя достаточно кратковременно включить встроенный маломощный нагреватель. Это позволяет отказаться от массивных и энергоёмких систем постоянного термостатирования, которые ранее требовались для поддержания литий-ионных аккумуляторов в рабочем состоянии.

Гибкая «химия» под конкретную задачу

«Мы можем настраивать химию через выбор электродных материалов, — пояснил Йи Лин. — Как химия в наушниках отличается от химии в телефоне, а та — от автомобильной, все эти электрохимии могут работать с твёрдым электролитом. Можно оптимизировать ячейку под энергию, под мощность или под долговечность». Такой подход позволяет проектировать батареи под конкретную миссию: для ровера, которому нужна максимальная ёмкость на многодневный маршрут, и для аварийного балофона, где критична пиковая мощность в первые секунды, будут использованы разные комбинации электродных материалов при общем твердотельном электролите.

Путь к космическим испытаниям и земные перспективы

Параллельно с работами в Лэнгли Исследовательский центр Эймса NASA разрабатывает полётное оборудование, необходимое для подготовки SPEARS к орбитальным и, в перспективе, лунным испытаниям. Технология также рассматривается для коммерческих земных применений: от электромобилей и беспилотных летательных аппаратов до портативных средств связи, работающих в арктических и высокогорных условиях. Если программа SPEARS успешно завершит космическую валидацию, твердотельные батареи могут стать стандартным элементом питания для всей лунной инфраструктуры — от научных станций до транспортных средств, работающих в условиях, где ни один существующий источник энергии не выдерживает многократных суточных перепадов температур.