Новы тып акумулятарных батарэй, усё яшчэ знаходзіцца ў распрацоўцы на Зямлі, можа адправіцца на Месяц ужо ў 2021 годзе на борце камерцыйнага касмічнага карабля. Японскі стартап ispace плануе першым выпрабаваць цвёрдацельнай батарэю на паверхні Месяца ў надзеі, што гэтая новая тэхналогія дапаможа вырашыць праблему захоўвання энергіі па-за прывычнага нам сьвету.

Краіны і кампаніі, такія як ispace, імкнуцца адправіць робатаў і людзей на Месяц - і ім спатрэбіцца энергія для харчавання іх ровера, станцый і іншага электроннага абсталявання, як толькі яны туды дабяруцца. Сонечная энергія - не заўсёды ідэальны варыянт, таму што некаторыя вобласці месяцовай паверхні застаюцца без сонечнага святла тыднямі. У тыя «цёмныя дні» тэмпература моцна падае, таму пошук батарэй, здольных вытрымліваць экстрэмальныя скокі тэмпературы і пры гэтым эфектыўна назапашваць энергію, можа стаць вялікім дабром для даследавання Месяца.

Цвёрдацельныя батарэі могуць быць перспектыўным рашэннем. Гэта шырока разрэкламаваная версія традыцыйных літый-іённых акумулятараў, якія можна знайсці ў смартфонах, Tesla, і, па сутнасці, амаль ва ўсім, што мае акумулятар. Li-ion акумулятары выкарыстоўваюць лёгкаўзгаральных вадкасцяў, званую электралітам, праз якую зараджаныя часціцы (іёны) перамяшчаюцца паміж двума электродамі, катодам і анодам. На жаль, гэтая вадкасць можа выклікаць праблемы нават тут, на нашай планеце: пры высокіх тэмпературах электраліты закіпае і выбухаюць акумулятары, а пры нізкіх замярзаюць, з-за чаго акумулятар перастае трымаць зарад.

У цвёрдацельных жа батарэях электраліт ўяўляе сабой цвёрды матэрыял, што робіць магчымым стварэнне больш кампактных «слоеных» акумулятараў. Але, што больш важна - такі тып перазараджваемых батарэй маюць вялікую ёмістасць пры тым жа аб'ёме і зараджаюцца хутчэй, чым звычайныя літый-іённыя акумулятары. Таксама, тэарэтычна, яны могуць лепш перажыць рэзкія перапады тэмпературы на Месяцы - ад 127 градусаў па Цэльсіі на сонца і да -173 градусаў у цені.

Такая батарэя не зможа падарвацца на Месяцы, так як тэмпература плаўлення цвёрдага электраліта куды вышэй, чым тэмпература кіпення вадкіх электралітаў. З іншага боку, моцны холад можа прымусіць цвёрдацельныя батарэі зараджацца павольней, але яны, па меншай меры, захаваюць частка зарада, у той час як тыповая літый-іённая батарэя будзе цалкам недзеяздольная.


Параўнанне звычайнай Li-ion батарэі з цвёрдацельнай.

Прапанаваныя месяцовыя батарэі будуць выраблены японскай кампаніяй NGK Spark Plug. Кампанія яшчэ не ўдакладніла іх дакладныя характарыстыкі, але кажа, што ў ёй будзе выкарыстоўвацца керамічны электраліт (кераміка - адзін з самых папулярных матэрыялаў для стварэння цвёрдых электралітаў, таму што яна дастаткова стабільная). План складаецца ў тым, каб правесці некалькі вельмі простых выпрабаванняў, каб высветліць, ці зможа батарэя выжыць і ўтрымаць зарад у вакууме касмічнай прасторы на Месяцы. Па словах прадстаўніка NGK Spark Plug, ўдалы эксперымент «пашырыць магчымасці» выкарыстання акумулятараў ў космасе.

Аднак Рао Сурампуди, кіраўнік аддзела па распрацоўцы сістэм харчавання ў Лабараторыі рэактыўнага руху НАСА і аўтар некалькіх справаздач аб назапашванні энергіі ў космасе, настроены скептычна: па яго словах, у выкарыстанні цвёрдацельных акумулятараў ў космасе няма нічога новага. «Мы пачалі працу над цвёрдацельнымі батарэямі ў 1991 годзе», - кажа ён. «Мы ўсё яшчэ працуем над імі».

Асноўная праблема заключаецца ў тым, што тэрмін службы цвёрдацельных батарэй (гэта значыць, колькі разоў вы можаце зараджаць батарэю да яе смерці) неверагодна абмежаваны. Гэта будзе вельмі недарэчы ў космасе, дзе місіі часцяком доўжацца гадамі і нават дзесяцігоддзямі. «Вы можаце замяніць акумулятар на сваім аўтамабілі або мабільным тэлефоне, але вы не можаце вярнуцца і замяніць акумулятар на касмічным караблі», - дадае Сурампуди.

Кароткі жыццёвы цыкл таксама з'яўляецца адной з прычын, чаму цвёрдацельныя батарэі слаба выкарыстоўваюць і тут, на Зямлі. Шматлікія кампаніі спрабуюць іх камерцыялізаваць, але пакуль што вы ўсё роўна не можаце купіць цвёрдацельны акумулятар для свайго смартфона або электрамабіля. Прама зараз ёсць магчымасць вырабляць толькі маленькія цвёрдацельныя батарэі, тэрмін службы большасці з якіх складае ўсяго 18 месяцаў пры пастаянным выкарыстанні. Яны таксама неверагодна дарогі з-за адсутнасці масавага вытворчасці. «Апошнія гадоў пяць тэрміны выхаду на рынак пастаянна зрушваюць на пару гадоў наперад, і інвестары становяцца ўсё больш нецярплівымі ў чаканні прагрэсу пры стварэнні цвёрдацельных батарэй», - кажа аналітык Ен МакКленни з Navigant Research, якая спецыялізуецца на даследаваннях акумулятараў. На самай справе, МакКленни лічыць, што цвёрдацельныя батарэі не будуць камерцыйна выгадным варыянтам да пачатку або сярэдзіны 2020 х гадоў.

Сурампуди лічыць, што ўсё яшчэ горш. Паводле яго слоў, тэхналогіі стварэння цвёрдацельных батарэй ўсё яшчэ няспелыя, і, верагодна, спатрэбіцца ад 5 да 10 гадоў, каб іх удасканаліць для больш практычнага прымянення. І гэта пры ўмове, што мы «ўкладваем 100 мільёнаў даляраў», каб прасоўваць далейшыя даследаванні, дадае ён.



Між тым, можна спраектаваць традыцыйныя літый-іённыя батарэі так, каб яны добра працавалі ў космасе. Шматлікія акумулятары такога тыпу выкарыстоўваюцца на борце Міжнароднай касмічнай станцыі, і яны выраблены такім чынам, што любыя нечаканыя выбухі не прычыняць шкоды касманаўтам і не паставяць пад пагрозу бяспеку. Сурампуди таксама дапамагаў распрацаваць традыцыйны Li-ion акумулятар для марсіянскага ровера Opportunity, які змог прапрацаваць больш за 15 гадоў, вытрымаўшы 5000 цыклаў перазарадкі са стратай усяго 15% ёмістасці. Яго каманда стварыла спецыяльныя сістэмы кіравання тэмпературным рэжымам, каб дапамагчы батарэяў справіцца з цяплом і холадам, і правяла выпрабаванні гэтых батарэй на працягу трох гадоў пры экстрэмальных тэмпературах.

Але гэта не значыць, што развіццё спыніцца на літый-іённых батарэях. «Прыйшоў час замяніць літый-іённыя акумулятары», - кажа Сурампуди. «Мы павінны знайсці наступную лепшую батарэю. Але распрацоўка новых батарэй не лёгкая, таму што ўсе простыя тэхналогіі ўжо даўно выкарыстоўваюцца ».

Паглядзім, што адбудзецца, калі Цвёрдацельная батарэя, распрацаваная NGK Spark Plug, патрапіць у космас і пройдзе, па меншай меры, некалькі гадоў. ispace плануе запусціць сваю першую місію - месяцовы арбітальны апарат - на борце ракеты SpaceX Falcon 9 ў 2020 годзе. Калі ўсё пройдзе ўдала, то кампанія запусціць камбінаваныя спушчальны апарат і месяцаход (які будзе несці цвёрдацельны батарэю) на іншым Falcon 9 ў 2021 годзе.

У канчатковым рахунку, доўгатэрміновае бачанне ispace заключаецца ў стварэнні квітнеючай ўстойлівага супольнасці на Месяцы, дзе людзі жывуць і ўзаемадзейнічаюць з аўтаматычнымі касмічнымі караблямі. Для таго, каб гэта было магчыма, стартапу трэба будзе прыдумаць некалькі інавацыйных рашэнняў для захоўвання энергіі. Цвёрдацельныя акумулятары могуць стаць часткай гэтага будучыні, але пройдзе некаторы час, перш чым гэта стане магчыма.