Nuova soluzione energetica per nanosatelliti che aumenta affidabilità ed efficienza, a un costo ridotto
Il settore dei piccoli satelliti (nanosatelliti) sta crescendo, spinto da una maggiore miniaturizzazione, standardizzazione e da una riduzione dei costi. Tuttavia, per riuscire ad offrire alte prestazioni per una vasta gamma di applicazioni è fondamentale uno stoccaggio dell’energia efficiente e affidabile. Il progetto MONBASA (Monolithic Batteries for Spaceship Applications), finanziato dall’UE, intendeva sviluppare una soluzione per lo stoccaggio dell’energia; conforme agli standard e alle norme esistenti, affidabile, con un’elevata efficienza energetica, ma rimanendo al contempo leggera e compatta. I ricercatori hanno progettato nuovi componenti a pellicola sottile, essenziali per la prossima generazione di batterie ricaricabili agli ioni di litio allo stato solido e ad alta tensione. Il fatto che garantiscono standard di sicurezza, robustezza, densità energetica, compatibilità con il vuoto, resistenza alle radiazioni e finestra di temperature di esercizio, rende le batterie ideali per applicazioni spaziali, oltre che per altre applicazioni come per esempio l’Internet delle cose (IoT). Superare nelle prestazioni l’attuale stato delle cose I nanosatelliti sono diventati molto popolari, con il numero degli sviluppatori e dei progetti che cresce senza sosta, ma il punto di partenza di MONBASA è stato che delle soluzioni innovative per lo stoccaggio dell’energia potrebbero dare un impulso persino maggiore a questo settore. La squadra ha per prima cosa sviluppato una batteria allo stato solido basata su una coppia di elettrodi ed elettroliti ceramici solidi ad alto voltaggio, con conduttività ioniche molto più alte rispetto agli elettroliti solidi commerciali. Dal momento che si deve raggiungere l’integrazione dell’elettrolita solido per ottenere una cella piena funzionale, era fondamentale ottenere il giusto contatto tra catodo ed elettrolita. Per analizzare approfonditamente le proprietà fisiche e chimiche delle interfacce della batteria, sono stati utilizzati gli strumenti di analisi più avanzati. La fase successiva è stata lo studio dell’integrazione della batteria con sensori satellitari all’avanguardia, quali ad esempio i sistemi microelettromeccanici (MEMS), una tecnologia fondamentale per sensori e attuatori nei satelliti avanzati. La soluzione è stata testata e convalidata in condizioni simili a quelle dello spazio. «Abbiamo adottato metodi di lavorazione che sono compatibili con la fabbricazione di nanosatelliti dall’industria della microelettronica e del vetro tecnologico. Questi sono stati determinanti per ottenere componenti di alta qualità a pellicola sottile per la batteria agli ioni di litio che hanno superato nelle prestazioni gli attuali componenti commerciali», spiega il coordinatore del progetto dott. Miguel Ángel Muñoz. MONBASA ha dimostrato che, rispetto agli elettroliti liquidi commerciali, gli elettrodi a pellicola sottile testati possono avere una durata maggiore di un ordine di grandezza in confronto ai convenzionali elettrodi commerciali. In pratica questo significa che le attuali celle agli ioni di litio potrebbero essere potenziate con la sola sostituzione degli elettrodi. Teoricamente l’elettrolita liquido non dovrebbe essere stabile alle tensioni elevate prodotte dal catodo di MONBASA. Tuttavia, la cella a pellicola sottile ha conservato più dell’80 % della sua capacità iniziale per oltre 2 000 cicli a intensità elevate della corrente, e dopo aver integrato l’elettrolita solido, stabile a tensioni elevate, le prestazioni della cella saranno ancora migliori. Il progetto ha anche scoperto che il metodo di lavorazione di MONBASA per l’elettrodo negativo, testato rispetto a un elettrolita commerciale solido di riferimento a soli 45 °C, uguagliava le prestazioni delle celle convenzionali che operano a 70 °C. Come riassume il dott. Muñoz, «Le batteria allo stato solido di MONBASA possiedono il potenziale per superare le sfide che il settore spaziale si trova ora ad affrontare utilizzando delle batterie agli ioni di litio disponibili in commercio». Si spiega meglio: «Componenti della batteria che durano di più porteranno a meno guasti e quindi a una durata maggiore del satellite. Batterie a pellicola sottile ad alto voltaggio e di dimensioni più piccole renderanno possibili satelliti più piccoli, riducendo i rischi di collisione. E una finestra di temperature più ampia migliorerà la sicurezza e le prestazioni in condizioni estreme». Garantire, e ampliare, servizi critici Nella sua Strategia spaziale per l’Europa, la Commissione europea ha sottolineato l’importanza di dati e tecnologie spaziali innovativi, per servizi indispensabili nelle vite quotidiane dei cittadini europei. I piccoli satelliti sono utili in particolare per le nuove applicazioni, visto che sono relativamente economici da costruire e lanciare, offrendo opportunità in una gamma di mercati mirati, come per esempio telecomunicazioni, agricoltura, trasporti e ambiente. Questi servizi aiutano a proteggere e gestire infrastrutture critiche, a rafforzare la competitività economica, a gestire le risorse per una popolazione in aumento e ad affrontare le pressioni dei cambiamenti climatici. «Oltre che per i satelliti spaziali, i risultati del progetto sono interessanti anche per altre applicazioni come per esempio l’alimentazione di sensori autonomi per l’Internet delle cose e dispositivi indossabili come quelli per il monitoraggio delle condizioni di salute». Ma il dott. Muñoz fa notare, «Gli sforzi futuri si dovranno concentrare sull’ottimizzazione delle interfacce che permettono l’integrazione di un catodo a pellicola sottile con un elettrolita a pellicola sottile. In parallelo, si dovrebbe dare la priorità al trasferimento su scala industriale della fabbricazione dei componenti».
Parole chiave
MONBASA, satelliti, batteria, elettrolita, catodo, Internet delle cose, telecomunicazioni, microelettromeccanico, elettrodo, stoccaggio energia, spazio
