Ay'a dönüşün pili: NASA eksi 80 derecede çalışan hücreleri sınadı

Arabanız özellikle dondurucu bir kış sabahında zor çalıştıysa ya da hiç çalışmadıysa, sıradan pillerin aşırı soğuktan hoşlanmadığını bilirsiniz. NASA araştırmacıları da bu yüzden, gece sıcaklıklarının eksi 200 santigrat dereceye (eksi 328 Fahrenheit) düştüğü Ay'ın güney kutbundaki acımasız soğukta çalışabilecek bir pil geliştirmeye çalışıyor.

Gelecekteki Ay operasyonlarında pilin, ısıtıldığı anda çalışması ve bir astronotun acil durum çantasından Ay'ın en karanlık kraterlerini keşfedebilecek bir gezicinin gücüne kadar her şeyi besleyebilmesi gerekecek — hem de yangın riski oluşturmadan.

Bir NASA araştırmacı ekibi bütün bunların gerçekleşmesi için çalışıyor. Projenin adı Uzayda Aşırı Ortama Uyum ve Dayanıklılık için Katı Güç (Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space, SPEARS) ve Artemis programı boyunca insanlığın Ay'daki kalıcı varlığına güç sağlamada NASA'ya önemli bir araç sunabilir.

"Piller Dünya'daki yaşamımızın önemli bir parçası hâline geldi; dizüstü bilgisayarlarımızı, cep telefonlarımızı, elektrikli el aletlerimizi, hatta araçlarımızı çalıştırıyorlar" diyor projenin yürütüldüğü yer olan Cleveland'daki NASA Glenn Araştırma Merkezi'nde SPEARS'ın baş araştırmacısı Donald Dornbusch. "Ay'da da onlara ihtiyacımız olacak ve bu pillerin o zorlu ortamda güvenilir ve güvenli biçimde çalışması gerekecek. Bu teknoloji üzerinde çalışmamızın nedeni de bu."

Sıvıdan gelen sorun, katı çözüm

Cep telefonunuzdaki ve dizüstü bilgisayarınızdaki gibi geleneksel lityum iyon pillerin kritik bir zayıflığı var: sıvı elektrolite dayanıyorlar. Geleneksel bir pili Ay'ın gece sıcaklıklarına soğuttuğunuzda o sıvı donar ve pili bozabilir. Fazla ısıttığınızda — diyelim ki Ay'ın gündüz sıcaklığı olan 100 santigrat dereceye (212 Fahrenheit) — soğuyana kadar çalışmaz. Sıvıyı uzay boşluğuna maruz bıraktığınızda ise buharlaşır.

SPEARS pilleri sıvı elektrolitin yerine katı, seramik ya da polimer esaslı bir malzeme koyarak bu sorunları çözüyor. Bu değişiklik birkaç avantajın kapısını açabilir. Her şeyden önce, sıcakta ve aşırı soğukta çalışabilirler.

Virginia'nın Hampton kentindeki NASA Langley Araştırma Merkezi'nde yakın zamanda yapılan ısıl vakum sınavlarında küçük prototip pil hücreleri 80 santigrat dereceye (176 Fahrenheit) kadar ısıda, eksi 60 santigrat dereceye (eksi 76 Fahrenheit) kadar soğukta iyi çalıştı; eksi 80 santigrat dereceye (eksi 112 Fahrenheit) kadar ise performansı bir miktar düşerek çalışmayı sürdürdü.

"Bu hücrelerin eksi 80 santigrat dereceye kadar çalışabildiğini ilk kez kanıtladık" diyor NASA Langley'de SPEARS sınav ve araştırma lideri Yi Lin.

Lin ayrıca önümüzdeki yıllarda performansı iyileştirebileceklerinden, hatta bu aralığı belki genişletebileceklerinden emin olduğunu söylüyor.

Pillerin, Ay'ın gece ile gündüz arasındaki çılgın sıcaklık salınımlarına maruz kaldıktan sonra da güvenilir kalması gerekiyor. Isıl vakum sınavları, 100 santigrat dereceden (212 Fahrenheit) eksi 170 santigrat dereceye (eksi 274 Fahrenheit) uzanan uç sıcaklıklara maruz kalmanın ardından SPEARS pillerinin hasar görmediğini gösterdi.

Eksi 170 santigrat derece kadar düşük bir sıcaklıkta katı hal pilleri bile çalışmaz; ama katı elektrolitler sıvı gibi donmadığı için piller bu aşırı düşük sıcaklıklardan sağ çıkabiliyor.

Bu kadar soğuğa maruz kaldıktan sonra pilleri yeniden çalıştırmak için küçük ısıtıcılar devreye giriyor. SPEARS pillerinin sürekli sıcak tutulması gerekmeyecek; yalnızca çalışma sıcaklığına kadar ısıtılmaları yeterli olacak. Bu da uzay araçlarında ve Ay yaşam modüllerinde ağır ısıl yönetim sistemlerine olan ihtiyacı azaltarak daha hafif tasarımların, daha düşük maliyetlerin ve daha uzun görev sürelerinin yolunu açabilir.

Ay için de Dünya için de güç

Bu katı hal pillerinin uygulamaları neredeyse sınırsız: gölgede kalan Ay kraterlerinde çalışmak zorunda olan matkap gibi küçük aletlerden gezicilere ve astronotlar için acil durum güç paketlerine kadar. Uzun süreli bilimsel aletler için de güç çözümü sunabilirler.

"Farklı elektrot malzemeleri kullanarak kimyayı ayarlayabiliyoruz" diyor Lin. "Tıpkı kulaklığınızdaki kimyanın telefonunuzdakinden, onun da arabanızdakinden farklı olması gibi; bütün bu kimyalar katı elektrolitle de işleyebiliyor. Uygulamaya göre enerji için, güç için ya da dayanıklılık için ayar yapabiliyoruz."

SPEARS uzay için tasarlanmış olsa da teknoloji Dünya'daki uygulamalara da aktarılabilir. Nitekim SPEARS, Lin ile Dornbusch'un daha önce üzerinde çalıştığı ve havacılık uygulamalarına odaklanan bir pil projesinden doğdu.

"Katı hal pilleri için potansiyel pazar çok geniş" diyor NASA Langley'de polimer malzeme bilimci ve görev lideri Ji Su. "Otomobiller, cep telefonları, haberleşme cihazları, dronlar — taşınabilir güç kaynağına ihtiyaç duyan her şey."

SPEARS projesi 2026'da, kurumun Araştırma ve Teknoloji Görev Direktörlüğü içindeki İleri Araştırma ve Teknoloji bölümünün fonuyla başladı. Projenin ilk aşamalarda teknoloji geliştirmeye odaklanması, sonrasında ticari iş birliğine yönelmesi öngörülüyor. Kaliforniya'nın Silikon Vadisi'ndeki NASA Ames Araştırma Merkezi de SPEARS pillerini uzay uçuşuna hazırlamak ve uzay ortamlarında sınamak için sınav kartları ve elektronik gibi uçuş donanımları geliştiriyor.