بطارية NASA ذات الحالة الصلبة تتجاوز اختبار التجمد الشديد للمهام القمرية

حقق المهندسون في الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (NASA) إنجازاً مهماً في تكنولوجيا تخزين الطاقة لاستكشاف الفضاء الخارجي، حيث أثبتوا أن بطارية متطورة ذات حالة صلبة يمكنها الصمود والعمل في ظروف التجمد الشديدة المتوقعة على سطح القمر. وفي اختبارات بيئية حرارية صُممت لمحاكاة الظروف القاسية للمهام الفضائية المستقبلية، صمدت خلية البطارية التجريبية ذات الحالة الصلبة أمام التعرض للبرودة في حالة عدم التشغيل عند درجات حرارة بلغت ناقص 274 درجة فهرنهايت (ناقص 170 درجة مئوية) وأظهرت قدرة كهربائية نشطة عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى ناقص 112 درجة فهرنهايت (ناقص 80 درجة مئوية)، وفقاً لما أوردته الصحفية Neetika Walter. وتعد نتائج الاختبار خطوة تقنية رئيسية نحو حل أحد أكثر التحديات استمراراً في رحلات الفضاء: الحفاظ على طاقة كهربائية مدمجة وموثوقة خلال ظلام الليل القمري الطويل شديد البرودة دون الاعتماد على أنظمة تدفئة نشطة ثقيلة ومستهلكة للطاقة.

## حقائق رئيسية - اختبرت NASA بنجاح بطارية تجريبية ذات حالة صلبة صمدت أمام التعرض للبرودة في حالة عدم التشغيل عند درجة حرارة بلغت -274°F (-170°C). - حافظت خلية البطارية المتقدمة على تشغيل كهربائي وظيفي عند درجات حرارة انخفضت إلى -112°F (-80°C) أثناء الاختبارات الحرارية. - قيم بروتوكول الاختبار متانة البطارية في ظل ظروف بيئية صُممت خصيصاً للمهام المستقبلية على سطح القمر، بما في ذلك الإقامات طويلة الأمد في القطب الجنوبي للقمر. - تستبدل تكنولوجيا البطاريات ذات الحالة الصلبة الإلكتروليتات السائلة التقليدية بمواد موصلة صلبة، مما يلغي مخاطر تجمد السوائل ويرفع كثافة تخزين الطاقة. - تعتمد أنظمة الطاقة التقليدية في المركبات الفضائية عادةً على عزل ثقيل، أو سخانات كهربائية، أو وحدات النظائر المشعة لحماية خلايا ليثيوم-أيون التقليدية من أعطال التجمد.

## ماذا حدث أثناء الاختبارات البيئية المختبرية المصممة لمحاكاة البيئات الحرارية للفضاء الخارجي، أخضع المهندسون خلية بطارية تجريبية ذات حالة صلبة لإجهاد حراري شديد لتقييم متانتها الميكانيكية وأدائها الكهربائي في ظروف التجمد الشديد. وتُم استخدام غرف حرارية مخصصة للفضاء الخارجي لخفض درجات الحرارة المحيطة إلى مستويات أقل بكثير من تلك التي تواجهها الاختبارات في البيئات المختبرية الأرضية النموذجية أو مهام المدار الأرضي المنخفض.

وانقسم التقييم إلى مرحلتي اختبار متميزتين: الصمود الهيكلي أثناء التخزين البارد غير النشط، والأداء الكهربائي التشغيلي تحت وطأة التبريد الشديد. وفي مرحلة الصمود، تعرضت البطارية ذات الحالة الصلبة لدرجات حرارة باردة غير تشغيلية انخفضت إلى ناقص 274 درجة فهرنهايت (ناقص 170 درجة مئوية). واختبرت هذه المرحلة ما إذا كانت الواجهات الفيزيائية، وطبقات الإلكتروليت الصلب الداخلية، ومواد الأقطاب الكهربائية يمكنها تحمل الانكماش الحراري الشديد دون أن تتشقق أو تنفصل طبقاتها أو تتعرض لفشل هيكلي. ونجحت خلية البطارية في الصمود أمام هذا التبريد الشديد دون حدوث تدهور هيكلي كارثي.

وعقب التعرض للبرودة غير التشغيلية، قيم المهندسون الأداء الكهربائي النشط للخلية عبر عتبات درجات حرارة متناقصة. ووفقاً لتقارير Neetika Walter، نجحت البطارية ذات الحالة الصلبة في تفريغ التيار الكهربائي والعمل عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى ناقص 112 درجة فهرنهايت (ناقص 80 درجة مئوية). وفي بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية، يؤدي التعرض لدرجات حرارة تحت الصفر إلى زيادة كثافة الإلكتروليتات السائلة وتجمدها، مما يزيد بشكل حاد من المقاومة الداخلية ويوقف التفاعلات الكيميائية الكهربائية. وأثبتت إمكانية توصيل الأيونات وتوفير الطاقة الكهربائية عند درجة حرارة ناقص 112 درجة فهرنهايت أن مواد الإلكتروليت ذات الحالة الصلبة يمكنها الحفاظ على حركة أيونية كافية في ظروف قد تعطيل كيمياء البطاريات التقليدية تماماً.

## أهمية هذا الإنجاز تمثل الكتلة والتحكم الحراري اثنين من أكثر القيود المباشرة في هندسة الفضاء الخارجي. ويتطلب إطلاق الأجهزة إلى ما بعد المدار الأرضي المنخفض كتلة وقود دافع عالية، مما يجعل كل كيلوغرام مخصص لهياكل الحمولة وأنظمة الطاقة والحمولات العلمية خاضعاً لقيود صارمة. وتضطر المهام الفضائية التقليدية التي تستخدم بطاريات الليثيوم-أيون القياسية إلى تخصيص كتلة وطاقة كبيرتين لأنظمة الإدارة الحرارية النشطة. ولأن الإلكتروليتات السائلة التقليدية تتجمد عند درجات حرارة تحت الصفر — مما يؤدي إلى التمدد الفيزيائي للخلية، والدائرات القتصرة الداخلية، والفشل التام للبطارية — يجب تغليف المركبات الفضائية بعزل ثقيل وتزويدها بسخانات كهربائية أو وحدات تدفئة بالنظائر المشعة.

ويوفر النجاح في اختبار بطارية ذات حالة صلبة تنجح في الصمود عند ناقص 274 درجة فهرنهايت والعمل عند ناقص 112 درجة فهرنهايت لمصممي المهام الفضائية وسيلة لتبسيط أنظمة الطاقة في المركبات الفضائية. وتلغي تكنولوجيا الحالة الصلبة الإلكتروليتات السائلة المتطايرة تماماً، وذلك باستخدام طبقات صلبة من السيراميك أو الزجاج أو البوليمر لتوصيل الأيونات بين الأقطاب الكهربائية. ويزيل هذا التغيير الهيكلي الخطر الفيزيائي لتجمد الإلكتروليت ويسمح بكثافة طاقة أعلى بكثير، مما يوفر واط-ساعة أكثر من التخزين الكهربائي لكل كيلوغرام من كتلة البطارية مقارنة بتصاميم الليثيوم-أيون القياسية.

بالنسبة للمركبات الجوالة الروبوتية، والمركبات الهابطة، والأجهزة العلمية الثابتة المنشورة في القطب الجنوبي للقمر أو داخل الفوهات المظللة دائماً، يترجم خفض الأعباء الحرارية مباشرة إلى توسيع القدرة التشغيلية. إن تقليل أو إلغاء الحاجة إلى أجهزة التدفئة الثقيلة يحرر ميزانيات كتلة حيوية للمعدات والأجهزة العلمية ومعدات الحفر وأنظمة الاتصالات. علاوة على ذلك، فإن الصمود أمام التعرض غير التشغيلي لدرجة حرارة ناقص 274 درجة فهرنهايت يوفر تخفيفاً أساسياً للمخاطر. فإذا فقدت مركبة جوالة قمرية الطاقة أو تعرضت لانقطاع في النظام الحراري خلال الليل القمري الذي يستمر أسبوعين، يمكن لنظام تخزين الطاقة ذي الحالة الصلبة أن ينجو من البرودة الشديدة دون تلف وأن يستأنف العمليات الطبيعية عند عودة ضوء الشمس، مما يمنع الفشل الكامل للمهمة.

## الخلفية تعد البيئة الحرارية على القمر من بين الأكثر قسوة في النظام الشمسي، وتتميز بتقلبات حادة في درجات الحرارة ناتجة عن غياب الغلاف الجوي المنظم للحرارة. وخلال النهار القمري، يمكن أن ترتفع درجات الحرارة على السطح بالقرب من خط الاستواء إلى أكثر من 250 درجة فهرنهايت (121 درجة مئوية). وخلال الليل القمري — الذي يستمر حوالي 14 يوماً أرضياً، أو ما يقرب من 354 ساعة — تنخفض درجات الحرارة على السطح إلى ما بين ناقص 200 وناقص 250 درجة فهرنهايت (ناقص 130 إلى ناقص 157 درجة مئوية). وفي قطبي القمر، تحتوي فوهات الاصطدام العميقة على مناطق مظللة بشكل دائم حيث يغيب ضوء الشمس المباشر منذ مليارات السنين؛ وفي هذه المناطق، يمكن أن تنخفض درجات الحرارة إلى ناقص 410 درجات فهرنهايت (ناقص 246 درجة مئوية).

تاريخياً، اعتمدت مجسات الفضاء الخارجي وحمولات القمر طويلة الأمد المصممة لتحمل الفترات المظلمة الممتدة على وحدات تدفئة بالنظائر المشعة (RHUs) أو مولدات كهروحرارية بالنظائر المشعة (RTGs) تحتوي على البلوتونيوم-238 المضمحل للحفاظ على درجات الحرارة الداخلية. ومع ذلك، فإن إمدادات البلوتونيوم مكلفة ومقيدة بشدة وتخضع لأطر تنظيمية معقدة. كما واجهت المهام السطحية التي تعمل بالطاقة الشمسية، مثل مركبات استكشاف المريخ (Mars Exploration Rovers) التابعة لناسا، مخاطر تشغيلية شديدة عندما أدت الظروف الباردة إلى تقليل سعة البطارية وتهديد بقائها الحراري.

ولحل هذه القيود، استثمرت NASA في أبحاث البطاريات المتقدمة من خلال مبادرات مثل مبادرة "بطاريات ذات بنية صلبة لتعزيز إمكانية إعادة الشحن والسلامة" (SABERS)، والتي تُجرى ضمن مشروع الأدوات والتكنولوجيات التحويلية في الوكالة. وبينما تركز أبحاث البطاريات التجارية للمركبات الكهربائية الأرضية بشكل كبير على الإنتاج الضخم منخفض التكلفة، فإن تطوير بطاريات الحالة الصلبة لعلوم الفضاء يمنح الأولوية للمقاومة الحرارية الشديدة، والسلامة الميكانيكية تحت إجهادات الإطلاق، وتحمل الإشعاع، وكثافة الطاقة العالية. وتستهدف تصاميم الحالة الصلبة المتقدمة توفير كثافة طاقة تقترب من 500 واط-ساعة لكل كيلوغرام — وهو ما يقرب من ضعف كثافة بطاريات الليثيوم-أيون الفضائية التقليدية — مع القضاء على مخاطر الانفلات الحراري المرتبطة بالإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال.

## ردود الفعل ورغم أن البيانات الرسمية العامة من شركات الفضاء التجارية والشركاء الدوليين في مجال الفضاء لم تُدرج في التقرير الأولي، فإن مهندسي الفضاء والباحثين في علوم الكواكب يعتبرون تخزين الطاقة في البرودة الشديدة تكنولوجيا أساسية لاستكشاف القمر على المدى الطويل. وتقوم وكالات الفضاء والشركات المتعاقدة التجارية المشاركة في برنامج أرتميس (Artemis) التابع لناسا — والذي يهدف إلى إقامة وجود بشري مستدام طويل الأمد على القمر — بتقييم بنيات طاقة قوية قادرة على تحمل الليل القمري.

وتواجه شركات الطيران الفضائي الخاصة المشاركة في برنامج خدمات الحمولة القمرية التجارية (CLPS) التابع لناسا ميزانيات كتلة ضيقة ومتطلبات بقاء حراري صارمة للمركبات الهابطة والجوالة التي ترسل إلى القطب الجنوبي للقمر. بالنسبة لمهندسي الحرارة ومصممي طاقة المركبات الفضائية في القطاع التجاري، فإن إثبات صمود خلايا البطاريات ذات الحالة الصلبة عند ناقص 274 درجة فهرنهايت يقدم معياراً تقنياً مشجعاً. ومن المتوقع أن تقوم فرق هندسة المركبات الفضائية بتحليل بيانات الاختبار لتقييم كيفية خفض أنظمة الطاقة ذات الحالة الصلبة لمتطلبات طاقة السخانات الداخلية، وتبسيط تصاميم الدروع الحرارية، وتقليل المخاطر الإجمالية لفشل المهام بالنسبة للحمولات السطحية.

## ما لا نعرفه بعد رغم أن النتائج المختبرية الأولية تمثل إنجازاً واعداً، إلا أن العديد من التفاصيل التقنية الرئيسية المتعلقة بأداء البطارية وتصميمها لا تزال غير محددة في التقارير المتاحة:

- **المواد والكيمياء الدقيقة:** لم يجرِ تفصيل التركيب الكيميائي المحدد للإلكتروليت الصلب والكاثود والأنود علناً — مثل ما إذا كانت الخلية تستخدم إلكتروليتات صلبة من الكبريتيد أو الأكسيد أو البوليمر. - **الحجم الفيزيائي وسعة الخلية:** لم تحدد التقارير ما إذا كانت الأجهزة التي تم اختبارها عبارة عن خلية كيسية مختبرية صغيرة أم حزمة بطارية متعددة الخلايا بمقياس رحلات الفضاء، مما يترك أسئلة مفتوحة حول كيفية توسيع مقاييس الأداء إلى سعات أكبر. - **عمر الدورة على المدى الطويل:** في حين صمدت الخلية أمام التعرض لدرجة حرارة ناقص 274 درجة فهرنهايت، فإن معدل تدهورها طويل الأمد عبر دورات تجميد وتذويب متعددة لا يزال غير معروف. إذ يجب أن تتحمل الأجهزة القمرية التشغيلية ليالي باردة متكررة مدتها 14 يوماً على مدار العمر التشغيلي الممتد للمهمة. - **تحمل الإشعاع والإطلاق:** يغطي الصمود في ظل البرودة الشديدة قيداً بيئياً واحداً فقط؛ إذ تتطلب قدرة البطارية على تحمل اهتزازات الإطلاق، وظروف الفراغ، والتعرض للإشعاع الفضائي لفترات ممتدة إجراء المزيد من اختبارات التأهيل لرحلات الفضاء.

## ما يجب مراقبته في الأشهر والسنوات القادمة، ستحدد عدة محطات تطوير رئيسية مدى فعالية انتقال تخزين الطاقة ذات الحالة الصلبة من غرف الاختبار البيئي إلى أجهزة رحلات الفضاء التشغيلية:

- **أداء دورات التفريغ الحراري الفراغي:** ستكشف تقارير الاختبارات اللاحقة عن كيفية أداء خلايا الحالة الصلبة عند تجميدها بشكل متكرر إلى ناقص 274 درجة فهرنهايت وإعادة تسخينها، مما يحاكي دورات ليل ونهار قمرية متتالية متعددة. - **توسيع حزمة البطارية:** تَرَقُّب الإعلانات التقنية التي تفصل تجميع خلايا الحالة الصلبة الفردية في حزم بطاريات كاملة الحجم وجاهزة للطيران ومصممة لجهد تشغيلي محدد للمركبات الفضائية. - **إعلانات دمج الحمولات:** متابعة ما إذا كانت NASA أو الشركاء التجاريون سيندمجون تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة في مركبات الهبوط التابعة لبرنامج خدمات الحمولة القمرية التجارية، أو المركبات الجوالة العلمية، أو البنية التحتية السطحية لبرنامج أرتميس (Artemis). - **العروض التوضيحية لرحلات الفضاء:** مراقبة الاختبارات الجوية المدارية أو دون المدارية المخطط لها والتي تهدف إلى التحقق من أداء بطاريات الحالة الصلبة في بيئات الجاذبية الصفرية والإشعاع الفضائي قبل النشر على القمر.

هذا التقرير يستند إلى تغطية صحفية أصلية أعدتها Neetika Walter.