NASA testet Festkörperbatterie bei extremen Minustemperaturen, um Stromversorgung für Mondforschung zu liefern

Die US-Raumfahrtbehörde NASA hat eine Festkörperbatterie getestet, die in einer Umgebung von bis zu -274 Grad Fahrenheit (etwa -170 Grad Celsius) normal funktionieren kann, ohne Schaden zu nehmen. Dies ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Stromversorgungssystemen für künftige Erkundungsmissionen am Südpol des Mondes. Der Prototyp der Batterie kann auch in einer Umgebung von bis zu -112 Grad Fahrenheit (etwa -80 Grad Celsius) betrieben werden, obwohl die Leistung etwas nachlässt. NASA zufolge funktionierten diese Batterien in jüngsten Thermovakuumtests in einem Temperaturbereich von -76 Grad Fahrenheit (etwa -60 Grad Celsius) bis 176 Grad Fahrenheit (etwa 80 Grad Celsius) gut.

Bedeutung des SPEARS-Projekts

Diese Ergebnisse stammen aus dem NASA-Projekt „Solid-state Batteries for Extreme Environments and Resilient Systems“ (SPEARS), das darauf abzielt, Batterien zu entwickeln, die extremen Temperaturschwankungen auf dem Mond standhalten können, ohne kontinuierliche Beheizung. Diese Technologie könnte letztlich Mondrover, wissenschaftliche Instrumente und Notfallausrüstung für Astronauten im Rahmen des NASA-Artemis-Programms mit Strom versorgen. Allerdings handelt es sich bei diesen Batterien noch um kleine Laborprototypen, die noch nicht im Weltraum getestet wurden.

Die Temperaturen in der Nähe des Mondsüdpols können auf -328 Grad Fahrenheit (etwa -200 Grad Celsius) sinken, was eine erhebliche Herausforderung für herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien darstellt, die auf flüssige Elektrolyte angewiesen sind, um geladene Teilchen zwischen den Elektroden zu transportieren. In extremer Kälte können diese Flüssigkeiten gefrieren, während übermäßige Hitze die Batterieleistung beeinträchtigt. Die Exposition gegenüber dem Vakuum des Weltraums bereitet auch herkömmlichen flüssigkeitsbasierten Systemen Probleme. Die SPEARS-Batterien der NASA hingegen verwenden feste keramische oder polymerbasierte Elektrolyte, die darauf ausgelegt sind, die Beständigkeit gegen extreme Temperaturen zu verbessern und gleichzeitig die mit brennbaren Flüssigelektrolyten verbundenen Brandgefahren zu verringern.

Forscher führten Thermovakuumtests im Langley Research Center der NASA in Virginia durch, um die Leistung der Prototypbatterien unter Bedingungen zu prüfen, die für den Mondbetrieb relevant sind.

Yi Lin, Leiter der SPEARS-Tests und -Forschung am Langley Research Center der NASA, sagte: „Wir haben erstmals bewiesen, dass diese Batterien bei -80 Grad Celsius normal funktionieren können.“ Die Tests zeigten auch, dass die Batterien einem Temperaturbereich von 212 Grad Fahrenheit (etwa 100 Grad Celsius) bis -274 Grad Fahrenheit standhalten können, ohne Schaden zu nehmen. Allerdings können die Batterien bei der niedrigsten Testtemperatur keinen Strom erzeugen; sie müssen vor der Nutzung auf Betriebstemperatur aufgeheizt werden.

Potenzielle Anwendungen von Festkörperbatterien

Diese Fähigkeit, bei extrem niedrigen Temperaturen ohne kontinuierliche Beheizung zu überleben, könnte den Bedarf an schwerer Thermomanagement-Ausrüstung auf Mondraumfahrzeugen und -rovern verringern. Kleine Heizungen könnten die Batterien bei Strombedarf auf Betriebstemperatur bringen, ohne sie die gesamte Mondnacht über warm halten zu müssen. NASA-Forscher erforschen zudem verschiedene Elektrodenmaterialien, um die Energiekapazität, Leistungsabgabe und Haltbarkeit der Batterien für spezifische Anwendungen anzupassen. Das SPEARS-Projekt wurde 2026 gestartet und wird von der NASA Research and Technology Mission Directorate finanziert.

Das Glenn Research Center der NASA in Ohio leitet das Projekt, während die Langley-Forscher die Materialentwicklung und Tests durchführen. Das Ames Research Center in Kalifornien entwickelt Testplatinen und Elektronik, um diese Technologie auf künftige Weltraumflugtests vorzubereiten. Die Behörde ist der Ansicht, dass die potenziellen Anwendungen dieser Technologie nicht auf die Monderkundung beschränkt sind, sondern auch Flugzeuge, Drohnen, Fahrzeuge und tragbare Elektronikgeräte umfassen. Allerdings benötigen diese Batterien vor einem operativen Einsatz noch weitere Entwicklung und Tests.

Auswirkungen der Festkörperbatterietechnologie auf die Monderkundung

Die Festkörperbatterietechnologie der NASA ist für die Monderkundung von großer Bedeutung, insbesondere hinsichtlich der Betriebsfähigkeit in extremen Umgebungen. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien sind in ihrer Leistung bei niedrigen Temperaturen begrenzt, während das Design von Festkörperbatterien diese Herausforderungen überwinden kann, die Abhängigkeit von schweren Thermomanagementsystemen verringert und damit die Effizienz von Erkundungsmissionen erhöht. Diese Technologie ist nicht nur für den Mond anwendbar, sondern könnte auch auf andere Bereiche wie Luftfahrt und tragbare Geräte ausgeweitet werden, was ihr breites Anwendungspotenzial zeigt.