Введение
Космические агентства больше не просто планируют визиты на Луну — они намерены создать там постоянные базы. NASA стремится установить постоянное присутствие на Луне к 2030-м годам в рамках программы Artemis, а Китай планирует отправить астронавтов на Луну к концу десятилетия, создавая международную лунную станцию. Эти амбициозные проекты ставят перед собой множество задач, и одной из самых критических является эффективное хранение энергии в условиях, когда все вокруг пытается уничтожить вашу батарею.
Энергия в космосе: невидимый вызов
В научной фантастике, такой как «Марсианин» и «Интерстеллар», часто упоминаются солнечные панели и генераторы, но реальная сложность заключается в том, как хранится, защищается и управляется энергией на протяжении длительного времени в экстремальных условиях. На экране системы питания работают без сбоев, но на практике инженеры знают, что в космосе батареи часто становятся слабым звеном.
Проблемы с батареями в космосе
На Земле батареи функционируют в умеренной и предсказуемой среде. В космосе же температура может колебаться от -150°C во время лунной ночи до более +150°C под прямыми солнечными лучами. Интенсивное космическое излучение разрушает химические связи, а отсутствие атмосферы делает тепло невыносимым для батарей. Даже микрогравитация может изменить движение жидкостей внутри ячейки батареи.
Литий-ионные батареи, которые питают наши телефоны, ноутбуки и электромобили, никогда не были разработаны для таких условий. Даже современные космические миссии используют сильно модифицированные и специализированные системы. Например, марсоход Perseverance оснастили батареями, способными выдерживать глубокий холод и пылевые бури, в то время как Международная космическая станция заменила устаревшие никель-водородные батареи на литий-ионные, спроектированные для работы в условиях быстрого термического цикла.
Что происходит с батареями в космосе
Мои коллеги и я пытаемся понять, что на самом деле происходит с батареями, когда они подвергаются условиям, для которых не были рассчитаны. Мы используем современные модели, чтобы воспроизвести крайности космоса — от радиации, которая медленно разрушает электроды, до тепла, которое накапливается в отсутствие воздуха.
Результаты наших симуляций показывают, что электроды могут трескаться во время глубоких морозов лунной ночи. Под прямыми солнечными лучами ячейки могут быстро перегреваться. Во время марсианских пылевых бурь определенные компоненты разрушаются гораздо быстрее, чем это предсказывают существующие модели.
Новые подходы к батареям
Каждое из этих симуляций сопровождается экспериментами в нашей лаборатории, где мы тестируем поведение батарей в контролируемых условиях. Сочетая моделирование с практическими исследованиями, мы пытаемся выявить точные механизмы, вызывающие сбои, и способы их предотвращения. Наша работа показывает, что космос не только подвергает батареи стрессу, но и выявляет каждую слабость одновременно.
Чтобы выжить в космосе, необходимо переосмыслить назначение батарей. Энергетическая плотность важна, но не менее значимыми являются такие факторы, как безопасность, термостойкость и долговечность. Одним из многообещающих вариантов являются магниево-воздушные батареи, которые используют легкий и обильный металл и могут обеспечить высокую энергию для своего веса.
Будущее хранения энергии в космосе
С развитием внеземных баз, хранение энергии начнет напоминать проблему наземной энергетической сети. Здесь натрий-ионные и калий-ионные батареи могут сыграть свою роль. Они дешевле и проще в масштабировании, чем литий-основанные системы, что делает их потенциальными кандидатами для стабилизации энергетических сетей на Луне или Марсе.
Некоторые технологии могут выполнять несколько функций. Электрохимические системы, которые одновременно хранят энергию и производят полезные соединения, такие как перекись водорода, могут поддерживать стерилизацию, очистку воды или процессы, связанные с кислородом, внутри герметичных баз. В космической инженерии система, выполняющая несколько задач, экономит массу, а масса — это все.
Заключение
Если нам удастся создать батареи, которые выживают в космосе, различные будущие сценарии, представленные на экране, могут перестать быть фантастикой и стать реальными инженерными задачами. И это может оказаться ближе, чем многие думают.
