В последние годы литий-ионные аккумуляторы прочно заняли ключевое место среди источников энергии для космических аппаратов, от крупных спутников до современных компактных кубсатов. Ученые ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и специалисты Московского физико-технического института внимательно изучили специфику выбора и эксплуатации таких аккумуляторов на низких околоземных орбитах и проанализировали, как подобрать оптимальное решение для различных типов миссий. Полученные результаты открывают вдохновляющие возможности для будущих космических программ России и мира.
Преимущества литий-ионных батарей в космосе
Литий-ионные аккумуляторы сегодня являются эталоном энергоэффективности для спутников благодаря их высокому удельному количеству энергии, низкому весу, долговечности и конкурентоспособной стоимости. Именно благодаря этим характеристикам удается эффективно решать главные задачи космических миссий — обеспечить стабильное электропитание при минимальной массе оборудования, что крайне важно для запуска и эксплуатации приборов на орбите. Каждый грамм на счету при отправке спутников, особенно небольших, таких как кубсаты, которые играют все более значимую роль в образовательных, научных и коммерческих проектах.
Выбор катодных материалов: безопасность против энергоёмкости
Ключевым этапом разработки надежных аккумуляторов для космоса становится подбор катодного материала. Для долгосрочных миссий исследователи особенно рекомендуют использовать литий-железо-фосфатные (LFP) катоды за их прочность и устойчивость к различным внешним воздействиям. Такие катоды, хоть и уступают по энергоёмкости никель-кобальт-алюминиевым (NCA) и никель-марганец-кобальтовым (NMC) аналогам, зато выигрывают по безопасности и стабильности при длительной эксплуатации, что критически важно при работе в суровых условиях космического пространства.
С другой стороны, для миссий с ограниченным временем функционирования и необходимостью максимальной энергоотдачи могут применяться катоды с NCA или NMC, однако эти решения требуют более тщательного контроля и баланса между рисками и преимуществами.
Конструирование и испытания: адаптация к экстремальным условиям
Аккумуляторы, предназначенные для использования на орбите, должны не только обладать высоким ресурсом, но и быть максимально устойчивыми к резким температурным колебаниям, вибрационным нагрузкам во время запуска, а также к вакууму и ионизирующему излучению. Разработка конструкции и интеграция терморегулирующих систем — важные этапы, определяющие успешную эксплуатацию батарей.
Классические лабораторные тесты не позволяют оценить долгосрочную работоспособность аккумуляторов на десятки тысяч циклов зарядки-разрядки, характерных для космических миссий. Для оценки ресурса применяются ускоренные испытания, моделирующие реальные условия космического полёта (испытания по принципу «как в полете»), а также проводится строгий отбор электрохимических ячеек и детальный входной контроль. Такой подход гарантирует не только высокую надёжность батарей, но и предсказуемость их поведения на длительных отрезках времени.
Оптимальные форм-факторы: цилиндрические решения для спутников
Для оснащения спутников и особенно кубсатов все чаще выбираются стандартные цилиндрические аккумуляторы (например, формата 18650). Массовое серийное производство позволяет значительно снизить стоимость и повысить надежность таких изделий. Они также отличаются повышенной механической прочностью и встроенными защитными механизмами. Пакетные (pouch) аккумуляторы используются гораздо реже из-за риска деформации корпуса и появления утечек в условиях вакуума, что может быть недопустимо для надежной работы спутника.
Кубсаты, которые часто разрабатываются университетскими командами или малыми стартапами, выигрывают за счет применения готовых коммерческих ячеек (COTS), так как это позволяет существенно ускорить и упростить проектирование, снизить издержки и минимизировать затраты времени на тестирование собственного прототипа.
Долгий срок службы и экономия как приоритет в космических проектах
Одной из важнейших задач остается повышение сроков службы аккумуляторов и обеспечение абсолютной надежности в течение всей миссии, ведь даже небольшой сбой может привести к утрате спутника или внезапному завершению дорогостоящей экспериментальной программы. Для этого инженеры часто ограничивают рабочую глубину разряда аккумуляторов до 10–40%, что позволяет достичь десятков тысяч циклов зарядки-разрядки без существенной потери емкости. Такой подход оправдан и сегодня используется в большинстве космических аппаратов для обеспечения долговечности и энергетической стабильности.
В целом выбор литий-ионных батарей для космоса — это баланс между энергоёмкостью, надёжностью, безопасностью, длительным ресурсом и стоимостью. Коллаборация ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН с МФТИ открывает новые горизонты для повышения эффективности отечественных и международных космических миссий, способствует внедрению прогрессивных решений в проектирование и производство космических аккумуляторных систем.
Источник: indicator.ru
