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Rovers de recarga: cómo las baterías permiten (y limitan) nuestra exploración de Marte y más allá

«Mi batería está baja y oscura» – esto traducción poética La transmisión final de Mars Opportunity describe la lucha de la nave para recargarse después de que los paneles solares se cubrieran de polvo durante una tormenta de viento.

Aunque el Opportunity superó su vida útil esperada en más de 14 años, los avances en la tecnología de las baterías podrían haber mantenido el rover en funcionamiento durante mucho más tiempo. De todas las partes que podrían haber fallado, la lucha de la batería por almacenar y conservar energía ha demostrado ser un colapso de oportunidades.

Y no es solo una oportunidad, créalo o no, las baterías son en realidad un gran obstáculo para nuestra exploración del espacio.

Representación técnica del Opportunity Rover. Créditos de la imagen: NASA.

Los vehículos móviles necesitan energía para funcionar. Sin energía, no pueden moverse, usar su equipo o comunicarse con la Tierra. Si bien los vehículos recreativos pueden tener cosas como paneles solares, también usan baterías para almacenar energía cuando otras fuentes de energía, como el sol, no están disponibles.

Debido a las duras condiciones en otros mundos (y en el espacio entre ellos), las baterías están sujetas a muchas más demandas en el espacio que en la Tierra. Debería durar mucho tiempo (a menudo años o décadas) y ser capaz de soportar miles de ciclos de carga. Debe estar herméticamente sellado y ser capaz de soportar las presiones del lanzamiento y el vacío del espacio. Las baterías no pueden emitir ninguna sustancia que pueda ser dañina para la nave espacial o sus ocupantes, y todos los componentes deben ser incombustibles para evitar riesgos de seguridad graves. En la exploración espacial, debes estar preparado para lo peor.

A pesar de todos estos desafíos, las baterías se han utilizado en naves espaciales desde los primeros vuelos espaciales en la década de 1960. La nave espacial más antigua usaba baterías de un solo uso, lo que limitaba las misiones a unos pocos días. Las misiones posteriores utilizaron baterías de níquel-cadmio que se recargaron con energía solar para aumentar la duración de la misión a semanas o meses.

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Recientemente, la NASA ha recurrido a las baterías de iones de litio (Li-ion) que son más livianas, más potentes y más duraderas, que son omnipresentes en los automóviles eléctricos y dispositivos personales en la Tierra. Vehículo Mars Perseverance lanzado en 2020, Capacidad para dos baterías de iones de litio. Para operar durante estudios de alta intensidad, y entre 2016 y 2021, la Estación Espacial Internacional Actualice todas las baterías de la estación a Li-ion.

Pero a pesar de todo lo que han hecho para revolucionar el transporte eléctrico en la Tierra, las baterías de iones de litio no están exentas de inconvenientes, especialmente en el espacio. Las baterías de iones de litio lo suficientemente potentes como para alimentar una nave espacial completa son pesadas, demasiado pesadas para aplicaciones terrestres como el transporte de largo alcance o aviones eléctricos, y difíciles de lanzar al espacio, y contienen elementos raros y costosos como el cobalto y el níquel. Las baterías de iones de litio también utilizan soluciones de electrolitos líquidos inflamables para mantener la carga; Si la batería está dañada, defectuosa o mal utilizada, un incendio a bordo de una nave espacial sería desastroso, Según Cristóbal Iannello,, un experto en energía eléctrica en la Oficina de Becarios Técnicos de la NASA. Los electrolitos también son propensos a congelarse o evaporarse en las duras condiciones del espacio y otros mundos.

Las nuevas tecnologías de baterías que no sean de iones de litio pueden ser más adecuadas para aplicaciones aeroespaciales. Los investigadores están estudiando nuevos tipos de baterías que son más baratas y tienen una vida útil más larga que las baterías de iones de litio. Estas nuevas tecnologías ya se necesitan aquí en la Tierra para aplicaciones tales como vehículos eléctricos y almacenamiento de energía a escala de red. Muchos de estos nuevos tipos de baterías se pueden modificar para adaptarse a los requisitos de las misiones espaciales.

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Imagen ampliada de las baterías del rover Curiosity. Créditos de la imagen: NASA.

Uno de los principales candidatos es la batería de litio-azufre (Li-S), una de las tecnologías más importantes que se espera que eventualmente reemplace o admita las baterías de iones de litio. Las baterías Li-S pueden almacenar hasta seis veces más energía que las baterías de iones de litio y pesan mucho menos, lo que deja más espacio para herramientas y equipos de misión. También es mucho menos costoso: El azufre está ampliamente disponible como subproducto de la refinación del petróleo.Y las baterías de Li-S no contienen cobalto ni níquel para aumentar los precios.

Si bien las baterías Li-S ofrecen bastantes ventajas sobre sus contrapartes de iones de litio, todavía hay algunos problemas que deben abordarse antes de que estén listas para ir al espacio. Las baterías de Li-S utilizan soluciones de electrolitos inflamables similares a las de las baterías de iones de litio, que siguen siendo propensas a congelarse o hervir en condiciones extremas. Los electrodos de metal de litio también producen pequeños picos llamados dendritas durante la carga y la descarga, que limitan la vida útil de la batería y pueden presentar riesgos de seguridad, incluidos incendios o explosiones.

Los investigadores están estudiando activamente formas de superar estos desafíos. Algunos equipos se enfocan en la solución de electrolitos: por Aumentar la concentración de sales en la solución.los investigadores pueden extender el rango de temperatura en el que el electrolito permanece en forma líquida.

Otros investigadores están recurriendo a electrolitos solidos para reemplazar sus contrapartes líquidas. Si bien puede ser difícil mover la carga a través de un electrolito sólido, la menor inflamabilidad y el mayor rango de temperatura de los electrolitos sólidos los convierten en una opción atractiva para las misiones tripuladas. Como dijo Rocco Viggiano, investigador principal de baterías de estado sólido en el Centro de Investigación Glenn de la NASA, en un comunicado una entrevista, las baterías con electrolitos sólidos pueden «recibir una paliza y seguir funcionando, a menudo en condiciones menos que ideales». del lado del polo, Agregar recubrimientos a la superficie de litioo incluso sustituir el litio por otros metales como magnesioPuede resolver algunos problemas relacionados con el crecimiento de las dendritas.

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Parece sorprendente que una de las limitaciones en nuestra exploración del espacio pueda ser algo tan familiar como las baterías. Pero incluso aquí en la Tierra, las baterías son un cuello de botella peligroso: son uno de los Principales obstáculos tecnológicos nos impide movernos Energía renovable más rápidoEl progreso es a menudo frustrantemente lento.

Actualmente se están investigando varias tecnologías de baterías nuevas, y aunque ninguna está lista para impulsar la próxima nave espacial de la NASA, Misiones futuristas a otros mundos Puede contener una nueva generación de baterías. Estas baterías económicas, flexibles y livianas permitirán una forma completamente nueva de explorar otros planetas y satélites. A medida que mejoren las baterías, también lo hará nuestra capacidad para explorar mundos fuera del nuestro.