Die NASA entwickelt Festkörperbatterien, die für einen sicheren Betrieb in der extremen Umgebung des Mondes ausgelegt sind, im Rahmen des Projekts Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space (SPEARS). Das Projekt soll eine Energiequelle für künftige Artemis-Missionen bereitstellen – von Notfallausrüstung und Erkundungsrobotern bis hin zu wissenschaftlichen Instrumenten und Mondrovern.
Die Temperaturen nahe dem Südpol des Mondes erreichen nachts etwa 328 Grad Fahrenheit unter null, was 200 Grad Celsius unter null entspricht. Dieser Temperaturbereich stellt herkömmliche Batterien vor Herausforderungen, da sie auf einen flüssigen Elektrolyten angewiesen sind, der bei extremer Kälte gefrieren oder im Vakuum des Weltraums verdampfen kann. Zudem werden sie tagsüber auf dem Mond von hohen Temperaturen beeinträchtigt.
Ergebnisse der thermischen Tests
Bei thermischen Tests unter Vakuumbedingungen, die ein NASA-Team im Langley Research Center im Bundesstaat Virginia durchführte, wurden kleine Prototypenzellen eingesetzt. Die Zellen funktionierten bei Temperaturen bis zu 176 Grad Fahrenheit beziehungsweise 80 Grad Celsius gut. Auch bei 76 Grad Fahrenheit unter null arbeiteten sie weiter, während ihre Leistung bei 112 Grad Fahrenheit unter null, also 80 Grad Celsius unter null, leicht abnahm.
Yi Lin, Leiter der Tests und der Forschung am SPEARS-Projekt im Langley Research Center, erklärte, das Team habe erstmals die Fähigkeit dieser Zellen nachgewiesen, bei 80 Grad Celsius unter null zu funktionieren. Die Tests zeigten außerdem, dass die Batterien nicht beschädigt wurden, nachdem sie Temperaturschwankungen zwischen 212 Grad Fahrenheit und 274 Grad Fahrenheit unter null, also zwischen 100 Grad Celsius und 170 Grad Celsius unter null, ausgesetzt worden waren.
Was ändert sich in der Praxis?
Das SPEARS-Projekt ersetzt den flüssigen Elektrolyten durch ein festes Material aus Keramik oder Polymer. Das bedeutet nicht, dass die Batterie bei den niedrigsten Temperaturen betrieben werden kann, denen die Mondoberfläche ausgesetzt sein kann; vor der Wiederaufnahme des Betriebs benötigen die Zellen eine begrenzte Erwärmung. Der Festelektrolyt gefriert jedoch nicht auf dieselbe Weise wie eine Flüssigkeit, sodass die Batterie extreme Kälte ohne Schäden überstehen kann.
Dieser Ansatz könnte den Bedarf verringern, Batterien ständig warm zu halten. Dadurch ließe sich möglicherweise die Masse der Wärmemanagementsysteme in Fahrzeugen und Mondanlagen reduzieren, während leichtere Konstruktionen und längere Betriebszeiten ermöglicht würden. Diese Vorteile hängen weiterhin davon ab, ob die Technologie von kleinen Testzellen zu weltraumtauglicher Hardware weiterentwickelt werden kann.
Von Mondwerkzeugen zu Anwendungen auf der Erde
Die NASA untersucht den Einsatz der Batterien in Bohrgeräten, die in dauerhaft schattigen Kratern arbeiten, in Rovern, als Notstrompakete und in wissenschaftlichen Geräten für lange Betriebszeiten. Nach Angaben der NASA kann die Batteriechemie angepasst werden, um unterschiedliche Prioritäten wie Energiedichte, Leistung oder Robustheit zu erreichen.
Das SPEARS-Projekt begann im Jahr 2026 mit einer Finanzierung durch die Abteilung für fortgeschrittene Forschung und Technologie der NASA-Direktion für Forschungs- und Technologiemissionen. In seinen frühen Phasen konzentriert es sich auf die Entwicklung der Technologie; später ist möglicherweise eine Zusammenarbeit mit der Industrie vorgesehen. Das Ames Research Center arbeitet an der Entwicklung der Flughardware, darunter Testplatinen und Elektronik, als Vorbereitung auf Tests der Batterien in Weltraumumgebungen.
Obwohl der wesentliche Antrieb des Projekts aus der Raumfahrt stammt, weist die NASA auf breitere Einsatzmöglichkeiten für Festkörperbatterien in Autos, Mobiltelefonen, Kommunikationsgeräten und Drohnen hin. Der derzeitige Stand belegt, dass die Prototypenzellen extremen thermischen Bedingungen standhalten, nicht jedoch ihre vollständige Einsatzbereitschaft oder ihre Verwendung in einer Mondmission.