تصور کنید در قطب جنوب ماه ایستاده‌اید، درست زمانی که خورشید ناپدید می‌شود و دما به‌سرعت سقوط می‌کند. چشم‌انداز در سکوت فرو می‌رود. فلز آن‌قدر سرد می‌شود که لمس آن دردناک است. ابزارها خاموش می‌شوند. مأموریت‌های انسانی نمی‌توانند چنین سکوتی را تحمل کنند. آن‌ها به منبع برقی نیاز دارند که در برابر شرایطی دوام بیاورد که بیشتر باتری‌ها از آن جان سالم به در نمی‌برند.
برنامه اسپیرز ناسا، مخفف «توان پایدار برای محیط‌های فضایی دوردست و بسیار سخت»، می‌خواهد این وضعیت را تغییر دهد. هدف ساده اما دشوار است: تأمین انرژی ایمن و قابل اعتماد برای فعال نگه داشتن ماه‌نوردها، زیستگاه‌ها و فضانوردان در نوسان‌های حرارتی شدید شب‌های ماه و دهانه‌های همیشه در سایه.
چرا باتری‌های معمولی در جایی شکست می‌خورند که اسپیرز باید موفق شود
سلول‌های استاندارد لیتیوم یون به الکترولیت‌های مایع وابسته‌اند. این مایعات در دماهای بسیار پایین یخ می‌زنند و در خلأ می‌توانند تبخیر شوند؛ اتفاقی که عملکرد را کاهش می‌دهد یا سلول‌ها را از بین می‌برد. گرمای زیاد نیز دشمن دیگری است؛ چرخه‌های داغ فرسودگی را سرعت می‌بخشند و می‌توانند خرابی‌های خطرناک ایجاد کنند. در ماه، دمای شب در نزدیکی قطب جنوب می‌تواند به حدود منفی ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد و تجهیزات در معرض محیط ممکن است با تغییرات سریع بین نزدیک به مثبت ۱۰۰ درجه و مقادیر بسیار پایین روبه‌رو شوند.
اسپیرز به‌جای این رویکرد، به سراغ الکترولیت‌های جامد می‌رود؛ موادی سرامیکی یا پلیمری که به‌جای مایع شدن یا جوشیدن و تبخیر، جامد باقی می‌مانند. طراحی‌های حالت جامد بخشی از ضعف‌های مکانیکی و خطرات ایمنی سلول‌های مبتنی بر مایع را کاهش می‌دهند و تحمل بهتری در برابر نوسان‌های بزرگ دمایی و محیط خلأ فضا ارائه می‌کنند.
آزمایش‌های میدانی و معنای آن‌ها
در مرکز پژوهشی لنگلی، مهندسان ناسا نمونه‌های اولیه سلول‌های اسپیرز را در مجموعه‌ای از آزمایش‌های حرارتی سخت بررسی کردند. سلول‌ها در دماهایی تا مثبت ۸۰ درجه سانتی‌گراد عملکرد خوبی داشتند و در حدود منفی ۶۰ درجه سانتی‌گراد همچنان به‌طور قابل قبول کار کردند. در نزدیکی منفی ۸۰ درجه سانتی‌گراد عملکرد افت کرد، اما نکته کلیدی این بود که واحدها هنگام چرخه دمایی بین حدود مثبت ۱۰۰ و منفی ۱۷۰ درجه سانتی‌گراد دچار آسیب دائمی نشدند.
این نکته آخر اهمیت زیادی دارد. نمونه‌های اولیه نمی‌توانند در سردترین شرایط به‌صورت خودکار و بدون مراقبت کار کنند؛ آن‌ها پس از قرار گرفتن در معرض سرمای بسیار شدید، به گرم‌کن‌های کوچکی نیاز دارند تا به بازه عملیاتی مناسب برسند. بااین‌حال، چون این باتری‌ها می‌توانند بدون خرابی فاجعه‌بار از چنین شرایطی جان سالم به در ببرند، طراحان مأموریت می‌توانند اندازه و وزن سامانه‌های فعال کنترل حرارتی را کاهش دهند. جرم کمتر یعنی هزینه پرتاب پایین‌تر و ظرفیت بیشتر برای محموله‌های علمی یا سامانه‌های پشتیبانی حیات.
شیمی قابل تنظیم برای نیازهای مأموریت
پژوهشگران همچنین می‌توانند مواد الکترود را تغییر دهند تا سلول‌های اسپیرز بسته به کاربرد، برای انرژی بیشتر، توان خروجی بالاتر یا عمر طولانی‌تر تنظیم شوند. مته‌ای که در یک دهانه همیشه در سایه رها می‌شود، نیازهایی متفاوت از یک ماه‌نورد تحت فشار یا یک بسته برق اضطراری برای فرودگر سرنشین‌دار خواهد داشت.
یی لین، مسئول آزمایش باتری‌های ماه در ناسا، می‌گوید: «هدف ما تاب‌آوری است. ما سلول‌هایی می‌خواهیم که در برابر سخت‌ترین شرایطی که ماه ایجاد می‌کند دوام بیاورند و وقتی خدمه یا ابزارها بیش از همیشه به انرژی نیاز دارند، همچنان برق قابل استفاده تحویل دهند.»
کاربردهای احتمالی شامل دکل‌های حفاری در دهانه‌های تاریک، ماه‌نوردهایی که از زمین‌های بسیار دشوار عبور می‌کنند، بسته‌های اضطراری فضانوردان و سکوهای علمی با عمر طولانی است. در زمین نیز باتری‌های حالت جامد مقاوم می‌توانند در خودروهای مناطق سردسیر، پهپادها و تجهیزات ارتباطی نقش مهمی پیدا کنند.
توسعه باتری‌هایی که تحمل بی‌رحمی حرارتی ماه را دارند، همه چالش‌های حضور بلندمدت در ماه را حل نمی‌کند. اما یکی از محدودیت‌های اصلی را برطرف می‌سازد. با ذخیره‌سازی انرژی مقاوم‌تر، طراحان مأموریت‌های عصر آرتمیس می‌توانند زیستگاه‌های سبک‌تر طراحی کنند، عملیات سطحی را گسترش دهند و مناطقی را کاوش کنند که پیش‌تر به دلیل سرمای شدید، خارج از دسترس به شمار می‌رفتند.
.avif)
نظر بگذارید
نظرات (3)
خوبه که باتری مقاوم دارن ولی این همه اتکا به باتری یعنی هنوز مشکل حرارتی رو کامل حل نکردن... به نظرم باید طراحی زیستگاه هم بازنگری شه، کمتر تبلیغ، بیشتر داده عملی
واقعا الکترولیت جامد اینقدر معجزه می‌کنه؟ من تردید دارم مخصوصا تو خلأ و تابش فضایی، ولی اگه درست باشه، عالیه. امیدوارم تست‌ها کامل باشن
وای... تصور یه شب قطبی روی ماه که ابزار خواب نمیره، عجیب و هیجان‌انگیزه. ولی موندم باتریا چقدر واقعی می‌تونن زمستون ماه رو تحمل کنن؟