سفر به ماه چقدر به واقعیت نزدیک است؟

به گزارش مجله خبری نگار/آنا،«حمد نذیر»، استادیار ارشد مهندسی در دانشگاه ساوت ولز انگلستان در سایت «کانورسیشن» نوشت: ناسا می‌خواهد تا دهه ۲۰۳۰ از طریق برنامه آرتمیس خود حضور دائمی در ماه داشته باشد. در همین حال، چین قصد دارد تا پایان این دهه فضانوردانی را روی ماه فرود آورد و برنامه‌هایی برای ساخت یک پایگاه دائمی در ماه در کنار شرکای بین‌المللی دارد. هدف این است که تا اواسط دهه ۲۰۳۰ یک ایستگاه تحقیقاتی در ماه ایجاد شود.

اما تمام این جاه‌طلبی‌های بزرگ بر پایه‌ای به‌طور شگفت‌آوری شکننده استوار هستند. چگونه انرژی را در مکانی ذخیره می‌کنید که تقریبا همه‌چیز در تلاش است باتری شما را نابود کند؟

این پرسشی است که داستان‌های علمی-تخیلی به ندرت برای بررسی آن درنگ می‌کنند. فیلم‌ها با کمال میل پرتاب موشک‌ها و درخشش اقامتگاه‌ها در تاریکی فضا را نشان می‌دهند؛ اما نیرویی که این سیستم‌ها را زنده نگه می‌دارد معمولا یک امر مسلم فرض می‌شود. در زندگی واقعی، مهندسان بهتر می‌دانند؛ زیرا در فضا، باتری‌ها اغلب ضعیف‌ترین حلقه هستند.

در فیلم‌هایی مانند مریخی (The Martian) و میان‌ستاره‌ای (Interstellar)، ما پنل‌های خورشیدی، ژنراتور‌ها یا راکتور‌ها را به صورت گذرا می‌بینیم. اما سخت‌ترین بخش مشکل - نحوه ذخیره، محافظت و مدیریت انرژی در دوره‌های طولانی در محیط‌های خشن - تا حد زیادی نامرئی است.

سامانه‌های تامین انرژی به طور قابل اعتمادی در پس‌زمینه کار می‌کنند. باتری‌ها خراب نمی‌شوند، یخ نمی‌زنند، بیش از حد گرم نمی‌شوند یا در بدترین زمان ممکن از کار نمی‌افتند. فرآیند‌های شیمیایی که کاوشگر‌ها را در حال حرکت و سیستم‌های پشتیبانی حیات را در حال کار نگه می‌دارند به ندرت مورد تردید قرار می‌گیرند. به هر حال، خراب شدن یک بخش داخلی باتری (مثل آند) احتمالا سوژه جذابی برای سینما نیست.

در زندگی واقعی روی زمین، باتری‌ها از یک محیط معتدل و قابل پیش‌بینی بهره می‌برند. اما در فضا کاملا برعکس است. دما می‌تواند بین منفی ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد در طول یک شب قمری و بیش از مثبت ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد در زیر نور مستقیم خورشید در نوسان باشد. تشعشعات شدید پیوند‌های شیمیایی را می‌شکند. بدون وجود جو، گرما جایی برای رفتن (دفع شدن) ندارد. حتی ریزگرانش نیز می‌تواند نحوه حرکت سیالات درون یک سلول باتری را تغییر دهد.

باتری‌های لیتیوم-یونی که انرژی تلفن‌ها، لپ‌تاپ‌ها و خودرو‌های الکتریکی را تامین می‌کنند هرگز برای این شرایط طراحی نشده‌اند. حتی ماموریت‌های فضایی امروزی نیز به سیستم‌های تخصصی و به شدت اصلاح‌شده متکی هستند. به عنوان مثال، مریخ‌نورد استقامت (Perseverance) در مریخ باتری‌هایی را حمل می‌کند که برای دوام آوردن در سرمای عمیق و طوفان‌های گرد و غبار ساخته شده‌اند. در حالی که ایستگاه فضایی بین‌المللی واحد‌های قدیمی نیکل-هیدروژن خود را با بسته‌های لیتیوم-یونی جایگزین کرد که مهندسی شده‌اند تا در برابر سال‌ها چرخه حرارتی سریع مقاومت کنند.

اگر نسل بشر در مورد اقامتگاه‌های روی ماه، پیمایش‌گر‌های دوربرد و ماموریت‌های پایدار جدی است، ما به باتری‌هایی با شیمی بسیار مقاوم‌تری نسبت به آنچه در زمین استفاده می‌شود نیاز خواهیم داشت.

فضا واقعا با یک باتری چه می‌کند؟

من و همکارانم در تلاشیم تا بفهمیم وقتی یک باتری فراتر از شرایطی که برای آن طراحی شده است تحت فشار قرار می‌گیرد، واقعا چه اتفاقی می‌افتد. ما از ابزار‌های مدل‌سازی پیشرفته برای شبیه‌سازی شرایط خشن فضا استفاده می‌کنیم؛ از تشعشعاتی که به آرامی مواد الکترود را تخریب می‌کند تا نحوه تجمع گرما در زمانی که هوایی برای انتقال آن وجود ندارد.

آنچه ما می‌بینیم تامل‌برانگیز است. در شبیه‌سازی‌های ما، الکترود‌ها می‌توانند در طول سرمای عمیق یک شب قمری دچار شکستگی شوند. در زیر نور مستقیم خورشید، سلول‌ها می‌توانند به سرعت بیش از حد گرم شوند. در طول طوفان‌های گرد و غبار مریخ، برخی از اجزا بسیار سریعتر از پیش‌بینی بسیاری از مدل‌های موجود تخریب می‌شوند.

هر یک از این شبیه‌سازی‌ها با آزمایش‌هایی در آزمایشگاه ما همراه است، جایی که ما این رفتار را تحت شرایط کنترل‌شده آزمایش می‌کنیم. با ترکیب مدل‌سازی با تحقیقات عملی، ما در تلاشیم تا مکانیسم‌های دقیقی که باعث خرابی می‌شوند و اینکه چگونه ممکن است از آنها جلوگیری شود را شناسایی کنیم.

بار‌ها و بارها، کار ما یک چیز را نشان داده است: فضا فقط به باتری فشار وارد نمی‌کند بلکه تمام نقاط ضعف آن را به یکباره نمایان می‌سازد. طراحیِ باتری‌ای که روی زمین کاملا خوب کار می‌کند ممکن است در ماه تنها چند دقیقه دوام بیاورد.

زنده ماندن در فضا به معنای بازنگری در مورد هدف یک باتری است. چگالی انرژی مهم است؛ اما مسائلی مانند ایمنی، پایداری حرارتی و طول عمر نیز اهمیت دارند.

یکی از گزینه‌های امیدوارکننده باتری‌های «منیزیم-هوا» (Magnesium–Air) است که از یک فلز سبک وزن و فراوان استفاده می‌کنند و می‌توانند انرژی بسیار بالایی نسبت به جرم خود تولید کنند. این سیستم‌ها ممکن است برای پهپادها، واحد‌های حرکتی یا برق پشتیبان اضطراری، جایی که وزن بسیار حیاتی است، مناسب باشند.

برای ماموریت‌های سرنشین‌دار، قابلیت اطمینان اغلب بیشتر از ظرفیت اهمیت دارد. باتری‌های لیتیوم-تیتانات بخشی از چگالی انرژی را از دست می‌دهند؛ اما پایداری حرارتی بسیار بالا، عمر چرخه طولانی و ایمنیِ بهبود یافته‌ای تحت فشار ارائه می‌دهند. اینها ویژگی‌هایی هستند که آنها را برای فضاپیما‌ها و سیستم‌های سطح ماه جذاب می‌کند.

چرا این موضوع اکنون مهم است؟

هرچه پایگاه‌های فضایی گسترش یابند، ذخیره‌سازی انرژی شکل شبیه‌تری به مشکلات شبکه‌های برق زمینی پیدا می‌کند. در اینجا، باتری‌های سدیم-یون و پتاسیم-یون می‌توانند نقش مهمی ایفا کنند. این باتری‌ها ارزان‌تر و مقیاس‌پذیرتر از نمونه‌های لیتیومی هستند؛ بنابراین می‌توانند گزینه‌ای مناسب برای تثبیت شبکه انرژی در مقیاس زیستگاه‌های ماه یا مریخ باشند.

انواع خاصی از فناوری حتی می‌توانند عملکرد‌های چندگانه‌ای داشته باشند. سیستم‌های الکتروشیمیایی که هم انرژی را ذخیره می‌کنند و هم ترکیبات مفیدی مانند پراکسید هیدروژن تولید می‌کنند، می‌توانند از فرآیند‌های ضدعفونی، تصفیه آب یا فرآیند‌های مربوط به اکسیژن در داخل اقامتگاه‌های بدون منفذ پشتیبانی کنند. در مهندسی فضایی، یک سیستم واحد که بیش از یک کار انجام می‌دهد باعث صرفه‌جویی در جرم می‌شود و در فضا، جرم (وزن) همه‌چیز است.

اگر بتوانیم باتری‌هایی بسازیم که در فضا دوام بیاورند، آینده‌های مختلفی که روی پرده سینما تصور می‌شوند ممکن است دیگر یک خیال‌پردازی نباشند و به مشکلات مهندسی واقعی تبدیل شوند و آن روز ممکن است بسیار نزدیک‌تر از چیزی باشد که بیشتر مردم تصور می‌کنند.