Новый тип аккумуляторных батарей, все еще находящийся в разработке на Земле, может отправиться на Луну уже в 2021 году на борту коммерческого космического корабля. Японский стартап ispace планирует первым испытать твердотельную батарею на поверхности Луны в надежде, что эта новая технология поможет решить проблему хранения энергии вне привычного нам мира.

Страны и компании, такие как ispace, стремятся отправить роботов и людей на Луну — и им понадобится энергия для питания их роверов, станций и другого электронного оборудования, как только они туда доберутся. Солнечная энергия — не всегда идеальный вариант, потому что некоторые области лунной поверхности остаются без солнечного света неделями. В те «темные дни» температура сильно падает, поэтому поиск батарей, способных выдерживать экстремальные скачки температуры и при этом эффективно накапливать энергию, может стать большим благом для исследования Луны.

Твердотельные батареи могут быть перспективным решением. Это широко разрекламированная версия традиционных литий-ионных аккумуляторов, которые можно найти в смартфонах, Tesla, и, по сути, почти во всем, что имеет аккумулятор. Li-ion аккумуляторы используют легковоспламеняющуюся жидкость, называемую электролитом, через которую заряженные частицы (ионы) перемещаются между двумя электродами, катодом и анодом. К сожалению, эта жидкость может вызвать проблемы даже здесь, на нашей планете: при высоких температурах электролиты вскипают и взрывают аккумуляторы, а при низких замерзают, из-за чего аккумулятор перестает держать заряд.

В твердотельных же батареях электролит представляет собой твердый материал, что делает возможным создание более компактных «слоеных» аккумуляторов. Но, что более важно — такой тип перезаряжаемых батарей имеют большую емкость при том же объеме и заряжаются быстрее, чем обычные литий-ионные аккумуляторы. Также, теоретически, они могут лучше пережить резкие перепады температуры на Луны — от 127 градусов по Цельсию на солнце и до -173 градусов в тени. 

Такая батарея не сможет взорваться на Луне, так как температура плавления твердого электролита куда выше, чем температура кипения жидких электролитов. С другой стороны, сильный холод может заставить твердотельные батареи заряжаться медленнее, но они, по крайней мере, сохранят часть заряда, в то время как типичная литий-ионная батарея будет полностью недееспособна.


Сравнение обычной Li-ion батареи с твердотельной.

Предлагаемые лунные батареи будут изготовлены ​​японской компанией NGK Spark Plug. Компания еще не уточнила их точные характеристики, но говорит, что в ней будет использоваться керамический электролит (керамика — один из самых популярных материалов для создания твердых электролитов, потому что она достаточно стабильна). План состоит в том, чтобы провести несколько очень простых испытаний, чтобы выяснить, сможет ли батарея выжить и удержать заряд в вакууме космического пространства на Луне. По словам представителя NGK Spark Plug, удачный эксперимент «расширит возможности» использования аккумуляторов в космосе.

Однако Рао Сурампуди, руководитель отдела по разработке систем питания в Лаборатории реактивного движения НАСА и автор нескольких отчетов о накоплении энергии в космосе, настроен скептически: по его словам, в использовании твердотельных аккумуляторов в космосе нет ничего нового. «Мы начали работу над твердотельными батареями в 1991 году», — говорит он. «Мы все еще работаем над ними».

Основная проблема заключается в том, что срок службы твердотельных батарей (то есть, сколько раз вы можете заряжать батарею до ее смерти) невероятно ограничен. Это будет очень некстати в космосе, где миссии зачастую длятся годами и даже десятилетиями. «Вы можете заменить аккумулятор на своем автомобиле или мобильном телефоне, но вы не можете вернуться и заменить аккумулятор на космическом корабле», — добавляет Сурампуди.

Короткий жизненный цикл также является одной из причин, почему твердотельные батареи слабо используют и здесь, на Земле. Многие компании пытаются их коммерциализировать, но пока что вы все равно не можете купить твердотельный аккумулятор для своего смартфона или электромобиля. Прямо сейчас есть возможность производить только маленькие твердотельные батареи, срок службы большинства из которых составляет всего 18 месяцев при постоянном использовании. Они также невероятно дороги из-за отсутствия массового производства. «Последние лет пять сроки выхода на рынок постоянно сдвигают на пару лет вперед, и инвесторы становятся все более нетерпеливыми в ожидании прогресса при создании твердотельных батарей», — говорит аналитик Йен МакКленни из Navigant Research, специализирующаяся на исследованиях аккумуляторов. На самом деле, МакКленни считает, что твердотельные батареи не будут коммерчески выгодным вариантом до начала или середины 2020-х годов.

Сурампуди считает, что все еще хуже. По его словам, технологии создания твердотельных батарей все еще незрелые, и, вероятно, потребуется от 5 до 10 лет, чтобы их усовершенствовать для более практического применения. И это при условии, что мы «вкладываем 100 миллионов долларов», чтобы продвигать дальнейшие исследования, добавляет он.



Между тем, можно спроектировать традиционные литий-ионные батареи так, чтобы они хорошо работали в космосе. Многочисленные аккумуляторы такого типа используются на борту Международной космической станции, и они изготовлены таким образом, что любые неожиданные взрывы не причинят вреда космонавтам и не поставят под угрозу безопасность. Сурампуди также помогал разработать традиционный Li-ion аккумулятор для марсианского ровера Opportunity, который смог проработать больше 15 лет, выдержав 5000 циклов перезарядки с потерей всего 15% емкости. Его команда создала специальные системы управления температурным режимом, чтобы помочь батареям справиться с теплом и холодом, и провела испытания этих батарей в течение трех лет при экстремальных температурах.

Но это не значит, что развитие остановится на литий-ионных батареях. «Пришло время заменить литий-ионные аккумуляторы», — говорит Сурампуди. «Мы должны найти следующую лучшую батарею. Но разработка новых батарей не легка, потому что все простые технологии уже давно используются».

Посмотрим, что произойдет, когда твердотельная батарея, разработанная NGK Spark Plug, попадет в космос и пройдет, по крайней мере, несколько лет. ispace планирует запустить свою первую миссию — лунный орбитальный аппарат — на борту ракеты SpaceX Falcon 9 в 2020 году. Если все пройдет удачно, то компания запустит комбинированные спускаемый аппарат и луноход (который будет нести твердотельную батарею) на другом Falcon 9 в 2021 году. 

В конечном счете, долгосрочное видение ispace заключается в создании процветающего устойчивого сообщества на Луне, где люди живут и взаимодействуют с автоматическими космическими кораблями. Для того, чтобы это было возможно, стартапу нужно будет придумать несколько инновационных решений для хранения энергии. Твердотельные аккумуляторы могут стать частью этого будущего, но пройдет некоторое время, прежде чем это станет возможно.