SPEARS: kiinteä elektrolyyti tuo kestävää energiaa Kuuhun

Kuvittele seisovasi Kuun etelänavalla auringon laskiessa ja lämpötilojen romahtaessa. Maisema hiljenee. Metalli jäähtyy niin, että sen koskettaminen sattuu. Mittalaitteet sammuvat. Miehitetyt tehtävät eivät voi sallia sitä hiljaisuutta. Ne tarvitsevat energiaa, joka kestää äärimmäisyyksiä, joista useimmat akut eivät selviä.

NASAn SPEARS-ohjelma - lyhenne sanoista Vakaa energia äärimmäisiin ja etäisiin avaruusympäristöihin pyrkii muuttamaan tilannetta. Tavoite on yksinkertainen mutta vaikea: toimittaa turvallista ja luotettavaa energiaa, joka pitää roverit, asuintilat ja astronautit toiminnassa Kuun öiden raa'issa lämpötilavaihteluissa ja pysyvästi varjoisissa kraattereissa.

Miksi tavalliset akut epäonnistuvat siellä missä SPEARS:n on onnistuttava

Tavalliset litiumioniakut perustuvat nestemäisiin elektrolyytteihin. Nuo nesteet jäätyvät hyvin alhaisissa lämpötiloissa ja voivat haihtua tyhjiössä, mikä heikentää suorituskykyä tai rikkoo kennot. Korkea lämpö on toinen uhka; kuumat jaksot nopeuttavat kulumista ja voivat laukaista vaarallisia vikoja. Kuussa etelänavan yötilat voivat laskea noin miinus 200 celsiusasteeseen, ja altistuvat laitteet voivat kohdata nopeita vaihteluita suunnilleen plus 100 asteesta erittäin alhaisiin arvoihin.

SPEARS nojaa kiinteisiin elektrolyytteihin - keraamisiin tai polymeerisiin materiaaleihin, jotka pysyvät kiinteinä sen sijaan, että ne nesteytyisivät tai haihtuisivat tyhjiöön. Kiinteätekniikat vähentävät joidenkin nestepohjaisten kennojen mekaanisia heikkouksia ja turvallisuusriskejä, tarjoten paremman sietokyvyn suurille lämpötilavaihteluille ja avaruuden tyhjiöympäristölle.

Kenttätestit ja mitä ne tarkoittavat

Langley Research Centerissä NASA-insinöörit altistivat SPEARSin prototypet laajalle joukolle lämpötestejä. Kennot toimivat hyvin jopa noin plus 80 celsiusasteessa ja jatkoivat hyväksyttävällä suorituskyvyllä suunnilleen miinus 60 asteessa. Suoritus heikkeni noin miinus 80 asteessa, mutta olennaista on, ettei yksiköille aiheutunut pysyvää vauriota, kun niitä kierrettiin suunnilleen plus 100 ja miinus 170 asteen välillä.

Viimeinen seikka on tärkeä. Prototyypit eivät käynnisty itsenäisesti syvimmässä kylmässä; ne tarvitsevat kohtuullisia lämmittimiä päästääkseen toimintavälille altistuttuaan äärialennuksiin. Koska akut kuitenkin selviytyvät näistä äärimmäisyyksistä ilman katastrofaalista vikaa, lennonsuunnittelijat voivat pienentää aktiivisten lämpötilansäätöjärjestelmien kokoa ja painoa. Vähemmän massaa tarkoittaa alhaisempia laukaisukustannuksia ja enemmän hyötykuormaa tieteelle tai elämäntuelle.

Kemian muokattavuus tehtävän vaatimuksiin

Tutkijat voivat myös vaihdella elektrodimateriaaleja säätääkseen SPEARS-kennoja korkeammalle energialle, suuremmalle tehontuolle tai pidemmälle käyttöiälle sovelluksen mukaan. Pysyvästi varjoisassa kraatterissa toimivan poran tarpeet eroavat paineistetun roverin tai miehitetyn laskeutujan hätävoimapakkauksen vaatimuksista.

"Tavoitteemme on kestävyys", sanoo Yi Lin, joka johtaa NASAn kuu-akkujen testauksia. "Haluamme kennoja, jotka selviävät kaikkein kovimmista Kuusta tulevista rasituksista ja silti tarjoavat käyttökelpoista energiaa, kun miehistö tai laitteet sitä eniten tarvitsevat."

Mahdollisia käyttökohteita ovat porauslaitteet pimeissä kraattereissa, kuuroverit, jotka kulkevat äärimmäisessä maastossa, astronauttien hätäpakit ja pitkäikäiset tiedealustat. Maassa kestävät kiinteätilaiset akut voisivat löytyä kylmien alueiden ajoneuvoista, drooneista ja viestintälaitteista.

Akkujen kehittäminen, jotka sietävät Kuun lämpöä, ei ratkaise kaikkia pitkäaikaiseen kuuoleskeluun liittyviä haasteita. Mutta se poistaa suuren rajoitteen. Vankemman energianvarastoinnin ansiosta Artemis-aikakauden tehtävien suunnittelijat voivat rakentaa kevyempiä asumuksia, pidentää pintatoimia ja tutkia alueita, jotka aiemmin katsottiin liian kylmiksi.