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NASA entwickelt Feststoffbatterie für die extreme Kälte auf dem Mond
Energiespeicher für den Mond: Eine neue Feststoffbatterie der NASA hat erste Temperatur-Vakuumtests bestanden. Kleine Prototypzellen lieferten selbst bei minus 80 Grad Celsius noch Strom, wenn auch mit verringerter Leistung. Noch kältere Bedingungen bis minus 170 Grad überstanden sie ohne erkennbare Schäden. Ein einsatzbereiter Mondakku ist das allerdings noch nicht.
Hampton (U.S.A.). Auf dem Mond sind Batterien enormen Temperaturschwankungen ausgesetzt. In dauerhaft beschatteten Kratern nahe dem Südpol kann es bis zu minus 200 Grad Celsius kalt werden. Für Mondfahrzeuge, Geräte und Notstromsysteme ist das ein Problem: Herkömmliche Akkus verlieren bei tiefen Temperaturen deutlich an Leistungsfähigkeit und benötigen aufwendigen Wärmeschutz.
Besonders kritisch ist der flüssige Elektrolyt üblicher Lithium-Ionen-Akkus. Er transportiert Ladungsträger zwischen den Elektroden, reagiert jedoch empfindlich auf Kälte und Hitze. Im Vakuum stellen flüchtige Bestandteile zudem besondere Anforderungen an die Abdichtung. Eine Batterie, die lange Kältephasen ohne ständige Heizung übersteht, könnte deshalb Gewicht und Energie sparen.
Die US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics and Space Administration (NASA) entwickelt dafür im Projekt Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space (SPEARS) Feststoffbatterien. Die Forschungsgruppe um Projektleiter Donald Dornbusch vom Glenn Research Center setzt auf feste Elektrolyte aus keramischen oder polymeren Materialien. Nun hat sie erste kleine Prototypzellen unter simulierten Weltraumbedingungen getestet.
Im Temperatur-Vakuumversuch am Langley Research Center arbeiteten die Zellen laut NASA zwischen minus 60 und plus 80 Grad Celsius gut. Selbst bei minus 80 Grad lieferten sie noch Strom, allerdings mit leicht verringerter Leistung. Die Tests zeigen damit eine ungewöhnlich große nutzbare Temperaturspanne für die untersuchten Laborprototypen, nicht für ein komplettes Batteriesystem.
„Wir haben erstmals nachgewiesen, dass diese Zellen bis hinunter zu minus 80 Grad Celsius funktionieren“, erklärt Testleiter Yi Lin vom Langley Research Center.
Noch kälter bedeutet aber nicht automatisch weiter funktionsfähig. Bei Belastungen zwischen plus 100 und minus 170 Grad Celsius überstanden die Batterien laut NASA die Temperatureinwirkung ohne Schäden. Bei minus 170 Grad können sie keinen Strom bereitstellen. Vor dem erneuten Betrieb müssten kleine Heizungen die Zellen zunächst auf eine geeignete Temperatur bringen.
Genau diese Unterscheidung könnte für lange Mondnächte entscheidend sein. Wenn Akkus extreme Kälte schadlos überstehen, müssen sie möglicherweise nicht ununterbrochen warm gehalten werden. Das könnte den Energiebedarf für Heizungen und die Masse der Wärmeregelung verringern. Ob sich die Einsparungen im realen Mondbetrieb erzielen lassen, wurde bei den bisherigen Tests noch nicht nachgewiesen.
„Wir können die Chemie durch die Verwendung unterschiedlicher Elektrodenmaterialien anpassen“, erläutert Lin. Damit ließen sich Batterien für Energieinhalt, Leistung oder Haltbarkeit optimieren. Welche Materialkombination für künftige Raumfahrtanwendungen am besten geeignet ist, bleibt jedoch Gegenstand der Entwicklung.
Die Forschenden bauen dabei auf früheren Feststoffbatteriearbeiten für die elektrische Luftfahrt auf. Anders als bei einem etablierten Serienakku sind für die nun vorgestellten SPEARS-Zellen wesentliche Leistungsdaten, etwa zur Lebensdauer über viele Ladezyklen, zur gespeicherten Energie oder zum Verhalten eines vollständigen Batteriepacks, öffentlich noch nicht umfassend dokumentiert.