Дослідницький центр Ленглі NASA завершив черговий етап тепловакуумних випробувань проєкту SPEARS (Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space) — твердотільних батарей, розрахованих на експлуатацію в екстремальних умовах місячної поверхні, де температура у фазі місячної ночі опускається до −200 °C. Прототипи комірок продемонстрували стабільну роботу в діапазоні від +80 °C до −60 °C, а за дещо зниженої продуктивності — до −80 °C. Найбільш значущим результатом стало те, що елементи живлення пережили циклічний вплив температур від +100 °C до −170 °C без будь-чних структурних пошкоджень, що відкриває шлях до їх застосування в завданнях, де традиційні акумулятори просто не здатні функціонувати.

Чому літій-іонні батареї не виживають на Місяці

Класичні літій-іонні акумулятори з рідким електролітом у місячних умовах виявляються практично марними. Рідина в електроліті замерзає протягом місячної ночі, а в умовах вакууму може закипіти, що призводить до руйнування внутрішньої структури комірки та втрати ємності. Для місячного ровера, що заїжджає у вічно затінені кратери, або для аварійного комплекту життєзабезпечення астронавта, де кожен грам маси та кожен ват потужності критичні, така нестабільність є неприйнятною. Саме тому команда SPEARS зробила ставку на заміну рідкого електроліту твердим керамічним або полімерним матеріалом, який не схильний до фазових переходів у робочому діапазоні температур.

Тепловакуумні випробування: цифри та досягнення

Керівник тестування SPEARS у Дослідницькому центрі Ленглі Ї Лін повідомив, що на поточному етапі доведено працездатність комірок за −80 °C, при цьому діапазон планується розширювати. За даними недавніх тепловакуумних випробувань, прототипи стабільно видавали заявлену потужність за +80 °C і зберігали номінальний режим до −60 °C; нижче цього порогу продуктивність знижувалася, але комірки продовжували функціонувати аж до −80 °C. Принципово важливим є те, що твердотільний електролит не замерзає і не випаровується у вакуумі, а для повернення батареї в повний робочий режим після тривалого простою достатньо короткочасно увімкнути вбудований малопотужний нагрівач. Це дозволяє відмовитися від масивних та енергоємних систем постійного термостатування, які раніше вимагалися для підтримання літій-іонних акумуляторів у робочому стані.

Гнучка «хімія» під конкретне завдання

«Ми можемо налаштовувати хімію через вибір електродних матеріалів, — пояснив Ї Лін. — Як хімія в навушниках відрізняється від хімії в телефоні, а та — від автомобільної, усі ці електрохімії можуть працювати з твердим електролітом. Можна оптимізувати комірку під енергію, під потужність або під довговічність». Такий підхід дозволяє проєктувати батареї під конкретну місію: для ровера, якому потрібна максимальна ємність на багатоденний маршрут, і для аварійного комплекту, де критична пікова потужність у перші секунди, будуть використані різні комбінації електродних матеріалів за загального твердотільного електроліту.

Шлях до космічних випробувань та земні перспективи

Паралельно з роботами в Ленглі Дослідницький центр Еймса NASA розробляє польотне обладнання, необхідне для підготовки SPEARS до орбітальних і, в перспективі, місячних випробувань. Технологія також розглядається для комерційних земних застосувань: від електромобілів і безпілотних літальних апаратів до портативних засобів зв'язку, що працюють в арктичних і високогірних умовах. Якщо програма SPEARS успішно завершить космічну валідацію, твердотільні батареї можуть стати стандартним елементом живлення для всієї місячної інфраструктури — від наукових станцій до транспортних засобів, що працюють в умовах, де жодне існуюче джерело енергії не витримує багаторазових добових перепадів температур.