Nowe rozwiązanie energetyczne zwiększa niezawodność i wydajność nanosatelitów przy obniżonych kosztach
Sektor małych satelitów (nanosatelitów) rozwija się dzięki postępującej miniaturyzacji, standaryzacji i redukcji kosztów. Jednak dla jego sukcesu – polegającego na oferowaniu wysokiej wydajności urządzeń w szerokim zakresie zastosowań – kluczowe znaczenie ma efektywne i niezawodne magazynowanie energii. Finansowany ze środków UE projekt MONBASA (Monolithic Batteries for Spaceship Applications) miał na celu opracowanie rozwiązania w zakresie magazynowania energii, zgodnego z obowiązującymi normami i przepisami, niezawodnego, o wysokiej sprawności energetycznej, przy jednoczesnym zachowaniu lekkości i niewielkich rozmiarów. Naukowcy zaprojektowali nowe, cienkowarstwowe komponenty, kluczowe dla nowej generacji wysokonapięciowych akumulatorów litowo-jonowych. Zadbanie o standardy bezpieczeństwa, wytrzymałości, gęstości energii, kompatybilności próżniowej, odporności na promieniowanie i temperatury pracy sprawia, że baterie są idealne do zastosowań kosmicznych, jak również innych, takich jak Internet przedmiotów (IoT). Lepsze od aktualnie stosowanych rozwiązań Podczas gdy nanosatelity stały się bardzo popularne, a liczba ich twórców i projektów stale rośnie, punktem wyjścia dla inicjatywy MONBASA było to, że innowacyjne rozwiązania w zakresie magazynowania energii mogą jeszcze bardziej wzmocnić sektor. Zespół opracował najpierw baterię półprzewodnikową opartą na wysokonapięciowej parze elektrod i ceramicznych elektrolitach stałych, o przewodności jonowej znacznie wyższej niż komercyjne elektrolity stałe. Ponieważ integracja elektrolitu stałego jest niezbędna do wykonania funkcjonalnego pełnego ogniwa, uzyskanie kontaktu pomiędzy katodą a elektrolitem było kluczowe. Do pełnej analizy właściwości fizycznych i chemicznych granic faz akumulatora zastosowano najbardziej zaawansowane narzędzia analityczne. Kolejnym krokiem było zbadanie integracji baterii z najnowocześniejszymi czujnikami satelitarnymi, takimi jak systemy mikroelektromechaniczne (MEMS), które są kluczową technologią dla czujników i siłowników w zaawansowanych satelitach. Rozwiązanie zostało przetestowane i zwalidowane w warunkach zbliżonych do panujących w kosmosie. „Zastosowaliśmy metody przetwarzania z mikroelektroniki i technologii szkła, które są kompatybilne z produkcją nanosatelitów. Były one kluczowe dla uzyskania wysokiej jakości cienkowarstwowych komponentów baterii litowo-jonowych, które były lepsze od komponentów dostępnych na rynku”, wyjaśnia koordynator projektu dr Miguel Ángel Muñoz. Uczestnicy projektu MONBASA wykazali, że cienkowarstwowe elektrody ciekłe mogą mieć żywotność o jeden rząd wielkości większą niż konwencjonalne elektrody dostępne w na rynku. W praktyce oznacza to, że ogniwa litowo-jonowe mogą być zwiększane tylko poprzez wymianę elektrod. Teoretycznie ciekły elektrolit nie powinien być stabilny przy wysokich napięciach dostarczanych przez katodę MONBASA. Jednakże cienkowarstwowe ogniwo utrzymywało ponad 80% swojej początkowej pojemności przez ponad 2000 cykli, przy wysokich wartościach natężenia prądu, natomiast po zintegrowaniu elektrolitu stałego, stabilnego przy wysokich napięciach, wydajność ogniwa będzie jeszcze wyższa. W ramach projektu ustalono również, że metoda przetwarzania elektrody ujemnej MONBASA, przetestowana w porównaniu z komercyjnym elektrolitem stałym w temperaturze tylko 45°C, dorównuje wydajnością konwencjonalnym ogniwom pracującym w temperaturze 70°C. Jak podsumowuje dr Muñoz, „całkowicie stałe baterie MONBASA mają potencjał, aby sprostać wyzwaniom, przed którymi stoi obecnie sektor kosmiczny, w którym wykorzystywane są baterie litowo-jonowe”. Uczony tłumaczy: „Dłuższa żywotność elementów baterii spowoduje ograniczenie awaryjności i tym samym wydłużenie okresu eksploatacji satelitów. Mniejsze cienkowarstwowe baterie wysokonapięciowe pozwolą na zmniejszenie satelitów, ograniczając ryzyko kolizji. Z kolei szerszy zakres temperatur poprawi bezpieczeństwo i wydajność w ekstremalnych warunkach”. Dostarczanie i rozwój usług krytycznych W swojej strategii kosmicznej dla Europy Komisja Europejska podkreśla znaczenie innowacyjnych danych i technologii kosmicznych dla usług niezbędnych w codziennym życiu obywateli europejskich. Małe satelity są szczególnie przydatne w nowych zastosowaniach, ponieważ ich budowa i umieszczenie na orbicie są stosunkowo niedrogie, co oznacza szerokie możliwości na szeregu rynków docelowych, takich jak telekomunikacja, rolnictwo, transport i środowisko. Usługi te pomagają chronić infrastrukturę krytyczną i zarządzać nią, wzmacniać konkurencyjność gospodarczą, zarządzać zasobami dla rosnącej liczby ludności oraz przeciwdziałać presji związanej ze zmianami klimatu. „Poza satelitami kosmicznymi wyniki projektu są interesujące także pod względem innych zastosowań, takich jak zasilanie autonomicznych czujników do IoT i urządzeń noszonych na ciele, takich jak aparaty do monitorowania stanu zdrowia”. Dr Muñoz zaznacza jednak: „Przyszłe wysiłki będą musiały skoncentrować się na optymalizacji połączeń fazowych, które umożliwią integrację cienkowarstwowej katody z cienkowarstwowym elektrolitem. Jednocześnie należy priorytetowo potraktować zwiększenie skali produkcji komponentów”.
Słowa kluczowe
MONBASA, satelity, baterie, elektrolit, katoda, Internet przedmiotów, telekomunikacja, mikroelektromechaniczne, elektroda, magazynowanie energii, przestrzeń kosmiczna
