پژوهش ارتقاء باتریهای فضاپیما | ایمان صدیقی و ایمان صادقی
باتریها برای تأمین انرژی فضاپیماها، ماهوارهها و فعالیتهای خارج از فضاپیما در محیط خشن فضا ضروری و حیاتی هستند.
این مقاله حاصل تحقیقات دو پژوهشگر ایرانی به نام های ایمان صدیقی و ایمان صادقی می باشد و جدیدترین پیشرفتها در فناوری باتریهای مورد استفاده در کاربردهای فضایی را طبق منابع علمی معتبر در سالهای ۲۰۲۴ و ۲۰۲۵ بررسی میکند.
کشفیات کلیدی شامل باتریهای لیتیوم-گوگرد که برای آزمایش در ایستگاه فضایی بینالمللی آماده شدهاند، باتریهای حالت جامد با چگالی انرژی بالاتر، آندهای خودترمیم برای افزایش طول عمر و باتری های اتمی است.
این نوآوریها به چالشهایی مانند کاهش وزن، پایداری حرارتی و طول عمر پاسخ میدهند و راه را برای مأموریتهای طولانیتر و اکتشافات فضایی طولانی تر، هموار میکنند.
مقدمه
سالهاست برای سفرهای فضایی با انواع و اقسام مشکلات و چالش ها روبرو هستیم. یکی از آنها منبع انرژی پایدار، قدرتمند و طولانی مدت است.
باتریهای فضاپیماها باید در شرایط سخت مانند خلأ، تشعشع، نوسانات دمایی از -۵۵ تا +۱۵۰ درجه سانتیگراد و ارتعاشات شدید هنگام پرتاب، مقاومت کنند و در عین حال انرژی قابلاعتمادی بدون نیاز به تعمیر و نگهداری ارائه کنند.
بهطور سنتی، باتریهای لیتیوم-یون به دلیل چگالی انرژی بالا (۲۵۰-۳۰۰ واتساعت بر کیلوگرم) مورد استفاده قرار میگرفتند، اما نیازهای مأموریتهای آینده به ماه، مریخ و فراتر از آن، چگالی انرژی بیش از ۷۰۰ واتساعت بر کیلوگرم و چرخههای بیش از ۱۰,۰۰۰ را ایجاب میکند.
تا سال ۲۰۲۵، پیشرفتها بر گزینههای سبکتر، ایمنتر و بادوامتر متمرکز شده است که توسط سازمانهایی مانند ناسا، آژانس فضایی اروپا (ESA) و سازمان تحقیقات فضایی هند (ISRO) و همچنین نوآوریهای بخش خصوصی هدایت میشوند.
باتریهای سنتی در فضاپیماها
باتریهای لیتیوم-یون همچنان استاندارد و رایج هستند، از رباتیک گرفته تا ماهواره ها، هنوز این باتری ها مورد استفاده قرار میگیرند، اما در سال های اخیر مدل مختلفی از باتری های نوین وارد عرصه شده اند.
انواع مختلفی مانند: نیکل-منگنز-کبالت (NMC) برای تعادل بین انرژی و ایمنی و لیتیوم آهن فسفات (LFP) برای پایداری حرارتی.
باتری تلسکوپ فضایی هابل ناسا، که اکنون برای ذخیرهسازی انرژی تجدیدپذیر روی زمین نیز استفاده میشود، نمونهای از فناوری فضایی بادوام با عملکرد ایمن و طولانیمدت است.
در فضاپیماهای کوچک، سیستمهای تامین کننده انرژی شامل پنلهای خورشیدی (با بازدهی تا ۳۰.۲٪ از سلولهای چندجانبه) و باتریهای قابل شارژ هستند که توان ویژهای بین ۱۸ تا ۱۴۰ وات بر کیلوگرم ارائه میدهند.
با این حال، محدودیتهایی در چگالی انرژی و عمر چرخه (معمولاً ۵,۰۰۰ چرخه) نیاز به نوآوریهای جدید را نشان میدهد.
پیشرفتهای اخیر:
باتریهای لیتیوم-گوگرد
باتریهای لیتیوم-گوگرد (Li-S) تا ۴۰٪ کاهش وزن نسبت به لیتیوم-یون و ۶۰٪ نسبت به LFP ارائه میدهند و چگالی انرژی بالاتری برای مأموریتهای طولانیتر فراهم میکنند.
در سال ۲۰۲۵، سلولهای Li-S شرکت لایتن (Lyten) برای آزمایش در ایستگاه فضایی بینالمللی تحت حمایت مالی DIU ساخته شدند که در قالبهای کیسهای و استوانهای در مراحل پرتاب، مدار و بازگشت ارائه میشوند.
این باتریها میتوانند مدت زمان فعالیتهای خارج از فضاپیما (EVA) را از ۴-۵ ساعت به ۸ ساعت افزایش دهند و ماهوارههای مدار نزدیک زمین را تأمین انرژی کنند.
کاربردهای اخیر شامل تأمین انرژی پهپادها است که سازگاری آنها با هوافضا را نشان میدهد. امریکا قصد دارد از پهپادها در فضا بهره بگیرد.
باتریهای حالت جامد
باتریهای حالت جامد با استفاده از الکترولیتهای جامد، ایمنی را با کاهش خطر اشتعال بهبود میبخشند و چگالی انرژی را حتی تا سه برابر افزایش میدهند.
تا اوایل سال ۲۰۲۵، این باتریها در مرحله توسعه بودند و چالش هایی هم داشتند اما ۳۰-۴۰٪ صرفهجویی در وزن آنها را قابل توجه میکند.
این باتریها برای ماهوارهها و وسایل نقلیه قابل استفاده مجدد که به بیش از ۱۰,۰۰۰ چرخه نیاز دارند، ایدهآل هستند.
پیشرفتهایی در طراحیهای حالت جامد مبتنی بر سدیم، عملکرد را در دماهای زیر صفر حفظ میکنند که برای مأموریتهای قمری مناسب است.
بهبود باتریهای لیتیوم-یون
سازمان ISRO در سال ۲۰۲۴ با استفاده از سلولهای لیتیوم-یون با آند سیلیکون-گرافیت در مأموریت PSLV-C58 POEM-3، صرفهجویی ۳۵-۴۰٪ در جرم و چگالی انرژی بالاتر را برای مأموریتهای سبکتر نشان داد.
این پیشرفت به ما ثابت کرد که هنوز چنین باتریهایی قابلیت تغییر و بهبود را دارند.
مسیرهای آینده به چگالی بیش از ۴۰۰ واتساعت بر کیلوگرم و بیش از ۵,۰۰۰ چرخه با استفاده از جمعکنندههای جریان سهبعدی برای بهبود چسبندگی و انتقال یون میرسند.
سلولهای فضایی شرکت میتسوبیشی از آلیاژهای خاص برای دوام ۱۵-۲۰ ساله در مدار استفاده میکنند که قابل ستایش است.
باتریهای نانوتریتیوم
باتریهای نانوتریتیوم شرکت City Labs که از شرکت های مبتکر در این زمینه محسوب میشود با استفاده از واپاشی تریتیوم، انرژی پایداری برای بیش از ۲۰ سال ارائه میدهند که در دماهای -۵۵ تا +۱۵۰ درجه سانتیگراد و در برابر تشعشع مقاوم است.
این باتری جوایز اخیر ناسا برای تأمین انرژی حسگرهای قمری و موتورهای یونی ماهوارههای کوچک، عملکرد مداوم بدون وابستگی به خورشید را از آن خود کرده است.
باتریهای خودترمیم
در میان پیشرفت های موجود جای یک نوع آن خالی است و آن هم خاصیت ترمیم شوندگی است.
آندهای دیمنیزیم پنتاگالید (Mg2Ga5) دانشگاه پنسیلوانیا از طریق تغییرات مایع-جامد خودترمیم هستند و ۱,۰۰۰ تا ۲,۰۰۰ چرخه با حفظ ۹۱٪ ظرفیت را تحمل میکنند. این باتریها با استفاده از منیزیم و گالیوم فراوان، برای محیطهای خشن فضایی مناسب هستند.
سایر نوآوریها
شرکت لاکهید مارتین که در ساخت جنگنده شهرت دارد توانسته نوعی از باتری اتمی را مناسب ماموریت های ماه و مریخ آماده کند که هنوز در مراحل آخر تست و ارزیابی است.
| پیشرفت | چگالی انرژی | عمر | کاربرد کلیدی | سال |
|---|---|---|---|---|
| لیتیوم-گوگرد | تا ۷۰۰+ | ۵۰۰-۱,۰۰۰ | ایستگاه فضایی، ماهوارهها | ۲۰۲۵ |
| حالت جامد | ۴۰۰-۷۰۰ | ۱۰,۰۰۰+ | وسایل نقلیه قابل استفاده مجدد | ۲۰۲۵ |
| سیلیکون-گرافیت لیتیوم-یون |
۲۵۰-۴۰۰ | ۵,۰۰۰+ | پرتابگرها | ۲۰۲۴ |
| نانوتریتیوم | پایین | حداقل ۲۰ سال | حسگرهای قمری | ۲۰۲۵ |
| خودترمیم | متغیر | ۱,۰۰۰-۲,۰۰۰ | محیطهای خشن | ۲۰۲۴ ۲۰۲۵ |
سخن پایانی
اگرچه تولید انرژی پایدار و قدرتمند از چالش های بزرگ در فضا محسوب میشد اما امروزه نسل جدید باتری ها این مشکل را برطرف کرده اند. کشفیات اخیر در سالهای ۲۰۲۴ و ۲۰۲۵، نوید تحولات عظیم در باتریهای فضاپیماها را میدهند که مأموریتهای طولانیتر و ایمنتر را ممکن میسازند.
بشر کم کم برای ایجاد شهرهای فضایی و سکونت روی ماه و مریخ آماده میشود و برنامه آرتمیس و پروژه های ایپیس ایکس در حال غلبه بر چالش های باقی مانده هستند.