NASA entwickelt Feststoffbatterie für Einsatz in extremer Kälte und Hitze

Die US-Weltraumagentur NASA arbeitet in dem Projekt „Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space“ (SPEARS) an Feststoffbatterien, die extreme Kälte und Hitze aushalten können und unter diesen Bedingungen verlässlich Energie liefern sollen. Die Batterien könnten auf Artemis-Mondmissionen eingesetzt werden, um Energie bei niedrigen nächtlichen Temperaturen am Südpol des Mondes von -200 °C abzugeben und tagsüber bei Hitze von bis zu 100 °C. Die Batterien sollen verschiedene Geräte mit Strom versorgen – von der Notfallausrüstung für die Astronauten bis hin zum Rover.

Um bei künftigen Artemis-Missionen und bei einer möglichen dauerhaften Präsenz auf dem Mond genügend Energie zu haben, benötigen die Astronauten Batterien, die auch unter extrem rauen Bedingungen funktionieren und mit einer hohen Zuverlässigkeit Energie liefern. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien eignen sich dafür aus mehreren Gründen nicht: Bei niedrigen Temperaturen von bis zu -200 °C, wie sie nachts auf dem Mond herrschen können, gefrieren die flüssigen Elektrolyten in diesen Batterien. Das führt meist zu irreversiblen Beschädigungen. Auch Hitze macht Lithium-Ionen-Batterien zu schaffen: Sie kann dann keine ausreichende Energie abgeben und muss gekühlt werden. Damit ist sie ungeeignet für den Einsatz auf dem Mond, auf dem tagsüber Temperaturen von etwa 100 °C auftreten können. Aber es gibt noch ein weiteres Problem mit Lithium-Ionen-Batterien. Kommt der flüssige Elektrolyt mit dem Vakuum des Weltraums in Kontakt, dann verdampft die Flüssigkeit.

Die Wissenschaftler der NASA setzen deshalb auf Feststoffbatterien, bei denen flüssige Elektrolyten durch feste Varianten etwa auf Keramik- und Polymerbasis ersetzt werden. Das soll es den Batterien ermöglichen, sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen zuverlässig zu funktionieren. Ein Verdampfen des Elektrolyts unter Vakuumeinfluss des Weltraums ist so ebenfalls nicht möglich.

Vielversprechende thermische Tests

Die NASA hat bereits erste Prototypen der SPEARS-Batterien erstellt und im Vakuum thermische Tests im Langley Research Center der NASA in Hampton im US-Bundesstaat Virginia durchgeführt. Die Forscher haben dabei zunächst kleine Feststoffbatterien hergestellt und sie hohen und niedrigen Temperaturen zwischen -80 °C und +80 °C ausgesetzt. Bis -60 °C sollen die Batterien noch ohne Leistungsverlust funktioniert haben, bei -80 °C sei die „Leistung nur geringfügig reduziert“ gewesen.

Die Prototypen haben sich nach NASA-Angaben auch gegenüber starken Temperaturschwankungen, wie sie an der Mondoberfläche vorkommen, als resistent erwiesen. Sie hielten wechselnden thermischen Bedingungen zwischen -170 °C und 100 °C stand, ohne dabei einen Schaden zu nehmen. Bei -170 °C funktionieren allerdings auch Feststoffbatterien nicht mehr. Die festen Elektrolyte können aber nicht gefrieren und sind nach einer Aufwärmphase mit kleinen Heizelementen wieder einsatzfähig. Die Batterien müssen allerdings nicht dauerhaft erwärmt werden, es reicht aus, sie wieder auf Betriebstemperatur zu bringen. Die NASA-Wissenschaftler sehen darin einen entscheidenden Vorteil: Da keine großen und schweren Thermomanagementsysteme in den Mondhabitaten und Rovern gebraucht werden, verringern sich die Kosten durch leichtere Konstruktionen.

Die SPEARS-Batterien können an unterschiedliche Einsatzzwecke durch Änderung ihrer chemischen Zusammensetzung angepasst werden, schreibt die NASA. Die Forscher können die Feststoffbatterien je nach geplanter Verwendung auf Energiekapazität, Leistungsabgabe oder Haltbarkeit optimieren. Dadurch ist ein Einsatz in elektrischen Werkzeugen, wissenschaftlichen Geräten, in Rovern bis hin zu Notstromaggregaten denkbar.

Die NASA-Forscher sind der Ansicht, dass die von ihnen entwickelten Feststoffbatterien auch auf der Erde und nicht nur im Weltraum ihre Vorteile ausspielen können. Sie sehen kommerzielle Anwendungen etwa in Autos, Mobiltelefonen, Kommunikationsgeräten und Drohnen.