Svemirske agencije više ne govore samo o povremenim posjetima Mjesecu, nego o dugotrajnom boravku i infrastrukturi koja mora funkcionirati mjesecima i godinama. NASA kroz program Artemis cilja stalnu prisutnost ljudi na Mjesecu tijekom 2030-ih, dok Kina planira slijetanje astronauta do kraja desetljeća i gradnju trajne mjesečeve istraživačke postaje s međunarodnim partnerima sredinom sljedećeg desetljeća. No iza velikih planova stoji problem koji je daleko manje atraktivan od lansiranja, a presudan za sve što se gradi izvan Zemlje: kako pohraniti energiju ondje gdje okoliš sustavno uništava baterije.
Kako objašnjava Hammad Nazir, viši predavač inženjerstva na Sveučilištu Južnog Walesa, u filmovima se napajanje uglavnom podrazumijeva. Solarni paneli, generatori ili reaktori pojave se u kadru i priča ide dalje, kao da se energija sama od sebe uredno sprema i uvijek je dostupna kad zatreba. U stvarnim misijama upravo je skladištenje energije jedno od najosjetljivijih mjesta cijelog sustava. Baterije stare, gube kapacitet, pregrijavaju se ili se smrzavaju, a kvar u pogrešnom trenutku ne znači “neugodnost”, nego prekid grijanja, komunikacije, mobilnosti ili sustava za održavanje života.
Ekstremi koje Zemlja ne simulira lako
Na Zemlji baterije rade u relativno stabilnom i predvidljivom okolišu. U svemiru se suočavaju s kombinacijom problema koji se rijetko javljaju zajedno: naglim temperaturnim skokovima, snažnim zračenjem i otežanim odvođenjem topline. Na Mjesecu se tijekom noći temperature spuštaju do oko −150 °C, dok se na izravnom Sunčevu svjetlu penju iznad +150 °C. Bez atmosfere toplina se teško odvodi, pa se dijelovi baterije mogu brzo pregrijati i kad se izvana čini da “nema ničega”. Zračenje pritom postupno oštećuje materijale i prekida kemijske veze koje bateriji omogućuju rad.
U takvim uvjetima pojavi se i manje intuitivan faktor: mikrogravitacija. U bestežinskom stanju tekućine se u unutrašnjosti baterije ne ponašaju kao na Zemlji, što dodatno otežava pouzdano predviđanje rada kroz dulje razdoblje.
Litij-ionske baterije kakve se koriste u telefonima, prijenosnim računalima i električnim vozilima nisu razvijene za takve uvjete. Zato se i današnje svemirske misije oslanjaju na posebno prilagođene sustave. Rover Perseverance na Marsu koristi baterije projektirane da izdrže duboku hladnoću i dugotrajna razdoblja snažnih oluja koje opterećuju opremu sitnim česticama i mijenjaju okolišne uvjete, dok je Međunarodna svemirska postaja zamijenila starije nikal-vodikove sustave litij-ionskim paketima konstruiranima tako da izdrže godine intenzivnih temperaturnih ciklusa.
Što se bateriji događa kad prijeđe granice
Problem nije samo u tome što su uvjeti u svemiru ekstremni, nego u tome što se više nepovoljnih čimbenika pojavljuje istodobno i pojačava učinke jedan drugog, objašnjava Nazir. Istraživači to nastoje razjasniti kombiniranjem naprednih računalnih modela i laboratorijskih ispitivanja. Modelima simuliraju scenarije od postupnog oštećivanja elektroda zračenjem do nakupljanja topline ondje gdje nema zraka koji bi je odnio, a zatim rezultate provjeravaju pokusima u kontroliranim uvjetima kako bi povezali mehanizme kvara s promjenama u materijalima i radu baterije.
Rezultati nisu ohrabrujući. Tijekom dugih mjesečevih noći elektrode mogu pucati zbog dubokog smrzavanja. Pri izravnom osvjetljenju dijelovi baterije mogu se brzo pregrijati. Na Marsu, u razdobljima snažnih oluja, pojedine komponente propadaju znatno brže nego što sugeriraju neki postojeći modeli. Svemir, drugim riječima, ne “testira” bateriju jednim problemom, nego u istom razdoblju otvara više pukotina, pa rješenje koje na Zemlji djeluje stabilno u svemirskim uvjetima može potrajati vrlo kratko.
Nije važan samo kapacitet
Zbog toga se buduća rješenja više ne procjenjuju samo po gustoći energije, odnosno po tome koliko energije stane u određenu masu ili volumen. U prvi plan dolaze sigurnost, toplinska stabilnost i dugovječnost. Ako baterija ima izvrstan kapacitet, ali je osjetljiva na temperaturne skokove ili podložna ubrzanom propadanju, u svemiru je rizik, a ne prednost.
Među tehnologijama koje se razmatraju nalaze se magnezij–zrak baterije. Koriste lagan i relativno obilan metal te bi mogle ponuditi vrlo visok omjer mase i pohranjene energije. Takav profil je posebno važan za sustave gdje je masa presudna, primjerice za mobilne jedinice, letjelice ili pričuvno napajanje u situacijama kada se sve mora nositi, štititi i održavati u ograničenim resursima.
Za misije s posadom naglasak se sve češće stavlja na pouzdanost, čak i ako to znači manji kapacitet. Litij-titanatne baterije pritom nude kompromis: imaju manju gustoću energije, ali veću toplinsku stabilnost, dulji radni vijek i višu razinu sigurnosti pod ekstremnim opterećenjima. Zbog tih se osobina smatraju pogodnima za sustave u kojima kvar nije opcija, od letjelica do opreme na mjesečevoj površini.
Baze kao energetska mreža
Kako buduće izvanplanetarne postaje budu rasle, skladištenje energije prestaje biti pitanje “jedne baterije” i sve više nalikuje upravljanju lokalnom energetskom mrežom. U tom kontekstu razmatraju se natrij-ionske i kalij-ionske baterije kao jeftinije i lakše skalabilne opcije u odnosu na litij, posebno ako se sustav mora širiti i održavati na razini staništa ili postaje.
Razvijaju se i sustavi koji ne rade samo jednu stvar. Elektrokemijska rješenja mogla bi istodobno spremati energiju i proizvoditi korisne spojeve, poput vodikova peroksida, koji bi u zatvorenim habitatima mogli služiti za sterilizaciju, obradu vode ili procese povezane s kisikom. U svemirskom inženjerstvu sustav koji obavlja dvije zadaće odjednom znači manje mase i manje opreme, a masa je jedna od najskupljih stavki svake misije.
Dugotrajan boravak ljudi na Mjesecu i ozbiljne misije na Mars neće se lomiti na raketama, nego na tehnologijama koje rijetko dolaze u prvi plan. Ako baterije ne mogu pouzdano raditi u ekstremnim uvjetima svemira, napajanje ostaje jedna od ključnih točaka rizika u okruženju koje kvarove ne prašta.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
