ناسا تختبر بطارية صلبة في درجات حرارة منخفضة للغاية، لتوفير حلول طاقة لاستكشاف القمر

اختبرت الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (NASA) بطارية صلبة قادرة على العمل بشكل طبيعي في بيئات تصل إلى -274 درجة فهرنهايت (حوالي -170 درجة مئوية) دون أن تتعرض للتلف، وهي خطوة مهمة في تطوير أنظمة الطاقة لمهام استكشاف القطب الجنوبي للقمر مستقبلاً. يمكن للبطارية النموذجية العمل أيضًا في بيئات تصل إلى -112 درجة فهرنهايت (حوالي -80 درجة مئوية)، وإن كان مع انخفاض في الأداء. وأوضحت ناسا أن هذه البطاريات عملت بشكل جيد في اختبارات الفراغ الحراري الأخيرة ضمن نطاق درجات حرارة يتراوح بين -76 درجة فهرنهايت (حوالي -60 درجة مئوية) و176 درجة فهرنهايت (حوالي 80 درجة مئوية).

أهمية مشروع SPEARS

جاءت هذه النتائج من مشروع ناسا "البطاريات الصلبة ذات القدرة على التكيف والمرونة في البيئات القصوى" (SPEARS)، الذي يهدف إلى تطوير بطاريات قادرة على البقاء في التقلبات الحرارية القصوى على القمر دون الحاجة إلى تسخين مستمر. وقد تُستخدم هذه التقنية في تزويد العربات الجوالة القمرية، والأدوات العلمية، ومعدات الطوارئ لرواد الفضاء بالطاقة ضمن برنامج أرتميس التابع لناسا. ومع ذلك، تظل هذه البطاريات نماذج أولية مخبرية صغيرة، ولم تُختبر في الفضاء بعد.

يمكن أن تنخفض درجات الحرارة بالقرب من القطب الجنوبي للقمر إلى -328 درجة فهرنهايت (حوالي -200 درجة مئوية)، مما يشكل تحديًا كبيرًا للبطاريات الليثيوم-أيون التقليدية التي تعتمد على إلكتروليت سائل لنقل الجسيمات المشحونة بين الأقطاب الكهربائية. في البرودة القصوى، قد يتجمد هذا السائل، بينما تؤثر الحرارة المفرطة على أداء البطارية. كما أن التعرض لفراغ الفضاء يسبب مشاكل للأنظمة التقليدية القائمة على السوائل. أما بطاريات SPEARS التابعة لناسا، فتعتمد على إلكتروليت صلب أساسه السيراميك أو البوليمر، بهدف تحسين المقاومة لدرجات الحرارة القصوى، وتقليل مخاطر الحريق المرتبطة بالإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال.

أجرى الباحثون اختبارات الفراغ الحراري في مركز لانغلي للأبحاث التابع لناسا في فرجينيا، لفحص أداء النماذج الأولية للبطاريات في ظروف تحاكي العمليات القمرية.

قال يي لين، رئيس الاختبارات والأبحاث في مشروع SPEARS بمركز لانغلي: "لقد أثبتنا لأول مرة أن هذه البطاريات يمكنها العمل بشكل طبيعي في درجات حرارة منخفضة تصل إلى -80 درجة مئوية". وأظهرت الاختبارات أيضًا أن البطاريات قادرة على تحمل نطاق درجات حرارة يتراوح من 212 درجة فهرنهايت (حوالي 100 درجة مئوية) إلى -274 درجة فهرنهايت دون أن تتعرض للتلف. ومع ذلك، لا تستطيع البطاريات توليد الكهرباء عند أدنى درجة حرارة تم اختبارها، ويجب تسخينها إلى درجة حرارة التشغيل قبل الاستخدام.

التطبيقات المحتملة للبطاريات الصلبة

قد تقلل هذه القدرة على البقاء في درجات حرارة منخفضة للغاية دون الحاجة إلى تسخين مستمر من الحاجة إلى معدات إدارة حرارية ثقيلة على المركبات الفضائية والعربات الجوالة القمرية. يمكن لسخانات صغيرة أن ترفع درجة حرارة البطارية إلى درجة التشغيل عند الحاجة إلى الطاقة، دون ضرورة إبقائها دافئة طوال الليل القمري. ويستكشف باحثو ناسا أيضًا مواد أقطاب كهربائية مختلفة لضبط سعة الطاقة، ومخرجات القدرة، ومتانة البطارية لتناسب تطبيقات محددة. وقد انطلق مشروع SPEARS في عام 2026 بتمويل من مديرية مهام البحث والتكنولوجيا في ناسا.

يقود مركز جلين للأبحاث التابع لناسا في أوهايو هذا المشروع، بينما يقوم باحثو لانغلي بتطوير المواد وإجراء الاختبارات. ويساهم مركز أميس للأبحاث في كاليفورنيا في تطوير لوحات الاختبار والمعدات الإلكترونية للمساعدة في إعداد هذه التقنية لاختبارات الطيران الفضائي المستقبلية. وتعتقد الوكالة أن التطبيقات المحتملة لهذه التقنية لا تقتصر على استكشاف القمر، بل تمتد إلى الطائرات، والطائرات بدون طيار، والمركبات، والأجهزة الإلكترونية المحمولة. ومع ذلك، لا تزال هذه البطاريات بحاجة إلى مزيد من التطوير والاختبار قبل أن تكون جاهزة للاستخدام التشغيلي.

تأثير تقنية البطاريات الصلبة على استكشاف القمر

تمثل تقنية البطاريات الصلبة التي تطورها ناسا أهمية كبيرة لاستكشاف القمر، لا سيما لقدرتها على العمل في البيئات القصوى. فالبطاريات الليثيوم-أيون التقليدية تعاني من قيود في الأداء في درجات الحرارة المنخفضة، بينما يتغلب تصميم البطاريات الصلبة على هذه التحديات، ويقلل الاعتماد على أنظمة الإدارة الحرارية الثقيلة، مما يرفع كفاءة مهام الاستكشاف. ولا تقتصر هذه التقنية على القمر فحسب، بل قد تمتد إلى مجالات أخرى مثل الطيران والأجهزة المحمولة، مما يظهر إمكانات تطبيقها الواسعة.