宇宙機関はもはや月を訪問することについて語るのではなく、月に住むことを計画している。
NASAはアルテミスプログラムを通じて、2030年代までに恒久的な月面拠点を実現したいと考えている。一方、中国は10年の終わりまでに宇宙飛行士を月に着陸させることを目標に掲げ、国際パートナーと共に恒久的な月面基地の建設を計画している。目標は2030年代半ばまでに月面研究ステーションを設立することである。
しかし、これらすべての壮大な野心は、驚くほど脆弱な基盤の上に成り立っている。ほぼすべてがバッテリーを破壊しようとしている場所で、どのようにエネルギーを貯蔵するのだろうか。
これはSF作品がほとんど立ち止まって考えない問いである。映画はロケットの発射や宇宙の暗闇に輝く居住施設を喜んで見せるが、それらのシステムを生かし続ける電力は通常、当然のものとして扱われる。しかし実生活では、エンジニアはよく知っている。なぜなら宇宙では、バッテリーがしばしば最も弱い環である。
『オデッセイ』や『インターステラー』のような映画では、ソーラーパネル、発電機、原子炉が流し見で登場する。しかし問題の最も困難な部分――極限環境で長期間にわたってエネルギーがどのように貯蔵され、保護され、管理されるか――はほとんど見えない。
電力システムはバックグラウンドで確実に機能するだけである。バッテリーは劣化せず、凍結せず、過熱せず、最悪のタイミングで故障しない。ローバーを動かし、生命維持システムを稼働させ続ける化学反応はほとんど疑問視されない。結局のところ、劣化する陽極はおそらく心を掴む映画にはならない。
地球上の実生活に戻ると、バッテリーは穏やかで予測可能な環境から恩恵を受けている。しかし宇宙はその正反対である。温度は月の夜の間の-150°Cから直射日光下の+150°C以上まで変動する可能性がある。強烈な放射線は化学結合を破壊する。大気がないため、熱は逃げ場がない。微小重力でさえ、バッテリーセル内部の流体の動きを変化させる可能性がある。
スマートフォン、ノートパソコン、電気自動車に電力を供給するリチウムイオン電池は、このような環境のために設計されたことは一度もない。今日の宇宙ミッションでさえ、大幅に改良された特殊なシステムに依存している。例えば、火星のPerseveranceローバーは、極寒と砂嵐に耐えられるように作られたバッテリーを搭載している。また国際宇宙ステーションは、老朽化したニッケル水素ユニットを、何年にもわたる急速な熱サイクルに耐えられるように設計されたリチウムイオンパックに交換した。
人類が月面居住施設、長距離ローバー、持続的なミッションについて本気であるなら、地球上で使用されるものよりもはるかに弾力性のあるバッテリー化学が必要である。
宇宙がバッテリーに実際に何をするか
私と同僚は、バッテリーが設計された条件をはるかに超えて押し進められたとき、実際に何が起こるかを理解しようとしている。私たちは高度なモデリングツールを使用して、電極材料をゆっくりと劣化させる放射線から、熱を運ぶ空気がないときに熱がどのように蓄積するかまで、宇宙の極限を再現している。
私たちが見ているものは厳粛である。私たちのシミュレーションでは、電極は月の夜の極寒の間に破砕する可能性がある。直射日光の下では、セルは急速に過熱する可能性がある。火星の砂嵐の間、特定の部品は既存の多くのモデルが予測するよりもはるかに速く劣化する。
これらのシミュレーションのそれぞれは、実験室での実験と組み合わされており、そこで私たちは制御された条件下でこの挙動をテストする。モデリングと実地研究を組み合わせることで、故障を引き起こす正確なメカニズムと、それがどのように防止できるかを特定しようとしている。
繰り返し、私たちの研究は同じことを示している。宇宙はバッテリーに単にストレスを与えるだけでなく、すべての弱点を一度に露呈させる。地球上で完璧に機能する設計は、月では数分しか生き延びられない可能性がある。
宇宙で生き残ることは、バッテリーが何のためにあるのかを再考することを意味する。エネルギー密度は重要であるが、安全性、熱安定性、寿命などの問題も重要である。
有望な選択肢の1つは、軽量で豊富な金属を使用し、質量に対して非常に高いエネルギーを供給できるものである。これらのシステムは、重量が重要であるドローン、移動ユニット、緊急バックアップ電源に適している可能性がある。
有人ミッションでは、容量よりも信頼性が重要であることが多い。チタン酸リチウム電池はエネルギー密度をいくらか犠牲にするが、優れた熱安定性、長いサイクル寿命、ストレス下での安全性の向上を提供する。これらは宇宙船や月面システムにとって魅力的な特性である。
なぜこれが今重要なのか
地球外基地が成長するにつれて、エネルギー貯蔵は地上の電力網問題に似始める。ここで、ナトリウムイオンやカリウムイオン電池が役割を果たす可能性がある。これらはリチウムベースのシステムよりも安価でスケールアップが容易であり、月や火星での居住施設規模のエネルギーネットワークを安定化させる潜在的な候補となる。
特定のタイプの技術は複数の機能を果たすことさえできる可能性がある。エネルギーを貯蔵し、過酸化水素などの有用な化合物を生成する電気化学システムは、密閉された居住施設内の殺菌、水処理、酸素関連プロセスをサポートできる。宇宙工学では、複数の仕事をする単一のシステムは質量を節約し、質量がすべてである。
宇宙で生き残るバッテリーを構築できれば、スクリーン上で想像されるさまざまな未来は空想であることをやめ、真の工学的問題になる可能性がある。そしてそれは、ほとんどの人が認識しているよりも近いかもしれない。