Использование ХИТ в космической технике
Исследование космического пространства ведется с помощью искусственных спутников земли, автоматических межпланетных кораблей, научных станций, пилотируемых космических кораблей и обитаемых научных станций. К энергетическим установкам для космических исследований предъявляется требование высокой удельной энергии, так как стоимость запуска в космос резко возрастает с увеличением массы. Например, уменьшение массы запускаемого аппарата на 200 кг приводит к экономии 30 млн долл. США [5.5].
Энергоустановки для космоса должны быть надежными, устойчивыми к воздействиям радиации, ударов, вибрации, иметь большой срок службы, не вызывать шума и вредных выбросов, работать в условиях невесомости. Бортовая аппаратура многих космических систем питается от солнечных батарей в комплекте с аккумуляторами. На первом этапе использовались серебряно-цинковые аккумуляторы [0.12], однако из-за малого ресурса их в значительной мере вытеснили более тяжелые, но более долговечные серебряно-кадмиевые и никель-кадмиевые аккумуляторы, которые нашли применение на Международной космической станции, станции «Салют», аппаратах «Марс», «Венера», спутниках «Метеор», «Молния», «Надежда», «Космос» и др. Позднее на космических аппаратах и спутниках нашли применение никель-водородные аккумуляторы, имеющие более высокие значения удельной энергии и ресурс (см. разд. 4.6). В последние годы в космической технике используются никель-металлогидридные аккумуляторы, характеризуемые более высокими значениями удельной энергии и мощности. Однако их ресурс существенно меньше ресурса никель-водородных аккумуляторов. В настоящее время все более широкое применение находят литий-ионные аккумуляторы. Требования NASA к литий-ионным ХИТ для некоторых космических аппаратов приведены в табл. 5.11.
Требования по удельной энергии соответствуют параметрам литий-ионных аккумуляторов. Однако необходима дальнейшая работа по улучшению некоторых параметров этих аккумуляторов: увеличению ресурса (для низких планетарных орбит) и скорости разряда (для роуверов и низких орбит) и снижение рабочих температур (для ро-уверов и посадочных аппаратов). На многих спутниках применяются литий-ионные аккумуляторы емкостью 50 А ■ ч. Замена никель-металлогидридного аккумулятора на литий-ионный позволяет снизить массу энергоустановки на 35—40 %, сократить мощность зарядных устройств благодаря более высокой отдаче по энергии и уменьшить площадь радиатора для отвода теплоты. Объем использованных в космосе в 2000 г. литий-ионных аккумуляторов составил 12 млн шт. [4.1.20]. Химические источники тока (литий-тионилхлоридные, некоторые аккумуляторы) применяются в системах пусковых космических установок.
Источник
Батарейка для космических аппаратов
Разработка конкурентоспособной космической техники требует перехода на новые типы аккумуляторов, отвечающих требованиям систем электроснабжения перспективных космических аппаратов.
В наши дни космические аппараты используются для организации систем связи, навигации, телевидения, изучения погодных условий и природных ресурсов Земли, освоения и изучения дальнего космоса.
Одним из главных условий к подобным аппаратам является точная ориентация в космосе и коррекция параметров движения. Это значительно повышает требования к системе электроснабжения аппарата. Проблемы энерговооруженности космических аппаратов, и, в первую очередь, разработки по определению новых источников электроэнергии, имеют первостепенное значение на мировом уровне.
В настоящее время основными источниками электроэнергии для космических аппаратов являются солнечные и аккумуляторные батареи.
Солнечные батареи по своим характеристикам достигли физического предела. Дальнейшее их совершенствование возможно при использовании новых материалов, в частности, арсенида галлия. Это позволит в 2-3 раза увеличить мощность солнечной батареи или уменьшить ее размер.
Среди аккумуляторных батарей для космических аппаратов сегодня широко используются никель-водородные аккумуляторы. Однако энергомассовые характеристики этих аккумуляторов достигли своего максимума (70-80 Вт*ч/кг). Дальнейшее их улучшение очень ограничено и, кроме того, требует больших финансовых затрат.
В связи с этим, в настоящее время на рынке космической техники происходит активное внедрение литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).
Характеристики литий-ионных батарей гораздо выше по сравнению с аккумуляторами других типов при аналогичном сроке службы и количестве циклов заряд-разряд. Удельная энергия литий-ионных аккумуляторов может достигать 130 и более Вт*ч/кг, а коэффициент полезного действия по энергии — 95%.
Немаловажным фактом является и то, что ЛИА одного типоразмера способны безопасно работать при их параллельном соединении в группы, таким образом, несложно формировать литий-ионные аккумуляторные батареи различной емкости.
Одним из главных отличий ЛИА от никель-водородных батарей является наличие электронных блоков автоматики, которые контролируют и управляют процессом заряда-разряда. Они также отвечают за нивелирование разбаланса напряжений единичных ЛИА, и обеспечивают сбор и подготовку телеметрической информации об основных параметрах батареи.
Но все же основным преимуществом литий-ионных аккумуляторов считается снижение массы по сравнению с традиционными батареями. По оценкам специалистов, применение литий-ионных аккумуляторов на телекоммуникационных спутниках мощностью 15-20 кВт позволит снизить массу батарей на 300 кг. Учитывая то, что стоимость вывода на орбиту 1 кг полезной массы составляет около 30 тысяч долларов, это позволит значительно снизить финансовые затраты.
Одним из ведущих российских разработчиков подобных аккумуляторных батарей для космических аппаратов является ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы» (АВЭКС), входящее в КРЭТ. Технологичный процесс изготовления литий-ионных аккумуляторов на предприятии позволяет обеспечить высокую надежность и снижение себестоимости.
Источник
Японцы отправят на МКС литиевые аккумуляторы, которые способны работать в открытом космосе
Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) объявило, что осенью этого года планирует отправить на Международную космическую станцию экспериментальные литиевые аккумуляторы для работы в открытом космосе. Обычные литиевые аккумуляторы основаны на жидком электролите и не работают в вакууме и в условиях низких температур. Поэтому для открытого космоса японцы предложили литиевые батареи на твёрдом электролите.
Твердотельный литиевый аккумулятор Hitachi Zosen. Источник изображения: Hitachi Zosen
Производством литиевых аккумуляторов на твёрдом электролите занимается японская компания Hitachi Zosen Corporation. Мы уже рассказывали об этой разработке. Если верить предыдущим обещаниям Hitachi Zosen, производство твердотельных литиевых батарей она должна была начать в прошлом году. Аккумуляторы AS-LiB (all-solid lithium-ion battery) имеют существенно меньшую плотность запаса энергии, чем литиевые батареи на жидком электролите, но они не горят, не раздуваются в вакууме и могут работать при температурах от −40 °C до 120 °C.
Для эксперимента в космос будет отправлен блок из 15 подключённых параллельно элементов AS-LiB, каждый из которых имеет размеры 65 мм × 52 мм × 2,7 мм. Суммарная ёмкость блока составит примерно 2,1 А·ч. Ёмкость одного элемента — 140 мА·ч.
Красная стрелочка показывает, куда планируется установить аккумулятор для тестирования на МКС. Источник изображения: JAXA
Твердотельные литиевые аккумуляторы Hitachi Zosen будут проходит испытания в составе японского научного модуля Kibo, состыкованного со станцией. Испытания должны начаться в конце 2021 года и продлятся до шести месяцев. Если разработка покажет себя с положительной стороны, в будущем подобные аккумуляторы появятся в технике для исследования Луны, Марса и работы в открытом космосе.
Источник
Литий-серные аккумуляторы для будущих космических программ
На сегодняшний день, аккумуляторы в космических программах используются в основном как резервные источники питания, когда аппараты находятся в тени и не могут получать энергию от солнечных батарей, или в скафандрах для выхода в открытый космос. Но используемые сегодня типы аккумуляторов (Li-ion, Ni-H2) имеют ряд ограничений. Во-первых, они слишком громоздкие, так как предпочтение отдаётся не энергоёмкости, а безопасности, в результате множественные защитные механизмы уменьшению объёма совсем не способствуют. И во-вторых, современные аккумуляторы имеют температурные ограничения, а в будущих программах, в зависимости от местоположения, температуры могут варьироваться в диапазоне от -150 °C до +450 °C. 
Источник
К тому же, не стоит забывать и повышенный радиационный фон. В общем, будущие аккумуляторы для космической отрасли должны быть не только компактными, долговечными, безопасными и энергоёмкими, но и работать при высоких или низких температурах, а также в условиях повышенного радиационного фона. Естественно, на сегодняшний день такой волшебной технологии не существует. Но тем не менее, существуют перспективные научные разработки, которые пытаются приблизится к требованиям для будущих программ. В частности, хотелось бы рассказать про одно направление в исследованиях, которое поддерживается NASA в рамкам программы Game Changing Development (GCD).
Так как совместить все вышеперечисленные технические характеристики в одной батарейке-задача трудновыполнимая, главная цель NASA на сегодняшний день-получить более компактные, энергоёмкие, и безопасные аккумуляторы. Как же достигнуть этой цели?
Начнём с того, что для значительного увеличения энергоёмкости на единицу объёма необходимы батарейки с принципиально новыми материалами для электродов, так как возможности литий-ионных аккумуляторов (Li-ion) ограничены ёмкостями материалов для катода (около 250 мАч/г для оксидов) и анода (около 370 мАч/г для графита), а также пределами напряжений, в которых электролит стабилен. И одна из технологий, позволяющая увеличить ёмкость, используя принципиально новые реакции взамен интеркаляции на электродах- это литий-серные аккумуляторы (Li-S), анод которых содержит металлический литий, а в виде активного материала для катода используется сера. Работа литий-серного аккумулятора в чём-то похожа на работу литий-ионного: и там, и там в переносе заряда участвуют ионы лития. Но в отличии от Li-ion, ионы в Li-S не встраиваются в слоистую структуру катода, а вступают с ним в следующую реакцию:
Основное преимущество такого аккумулятора — высокая ёмкость, превышающая ёмкость литий-ионных аккумуляторов в 2-3 раза. Но на практике не всё так радужно. При повторных зарядках, ионы лития оседают на аноде как попало, образуя металлические цепочки (дендриты), которые в конце концов приводят к короткому замыканию. К тому же, реакции между литием и серой на катоде приводят к большим изменениям объёма материала (до 80%), так что электрод быстро разрушается, да и сами соединения с серой-плохие проводники, поэтому в катод приходится добавлять много углеродного материала. И последнее, самое главное- промежуточные продукты реакции (полисульфиды) постепенно растворяются в органическом электролите и «путешествуют» между анодом и катодом, что приводит к очень сильному саморазряду.
Но все вышеперечисленные проблемы пытается решить группа учёных из университета Мэриленда (UMD), которая и выиграла грант от NASA. Так как же учёные подошли к решению всех этих проблем? Во-первых, они решили «атаковать» одну из главных проблем литий-серных аккумуляторов, а именно, саморазряд. И вместо жидкого органического электролита, который, как было сказано выше, постепенно растворяет активные материалы, они использовали твёрдый керамический электролит, а точнее, Li6PS5Cl, который достаточно хорошо проводит ионы лития через свою кристаллическую решётку.
Но если твёрдые электролиты решают одну проблему, они также создают и дополнительные трудности. К примеру, большие изменения объёма катода во время реакции могут привести к быстрой потере контакта между твёрдыми электродом и электролитом, и резкому падению ёмкости аккумулятора. Поэтому учёные предложили элегантное решение: они создали нанокомпозит, состоящий из наночастиц активного материала катода (LI2S) и электролита (Li6PS5Cl), заключённых в углеродную матрицу.
Данный нанокомпозит имеет следующие преимущества: во-первых, распределение наночастиц материала, который меняется в объёме при реакции с литием, в углероде, объём которого практически не меняется, улучшает механические свойства нанокомпозита (пластичность и прочность) и уменьшает риск растрескивания. К тому же, углерод не только улучшает проводимость, но и не препятствует движению ионов лития, так как имеет также хорошую ионную проводимость. A за счёт того, что активные материалы наноструктурированы, литию не надо продвигаться на большие расстояния чтобы вступить в реакцию, и весь объём материала используется более эффективно. И последнее: использование такого композита улучшает контакт между электролитом, активным материалом, и проводящим углеродом.
В результате учёные получили полностью твёрдый аккумулятор с ёмкостью около 830 мАч/г. Конечно, говорить о запуске такого аккумулятора в космос пока рано, так как работает такая батарейка в течении всего 60 циклов зарядки/разрядки. Но в тоже время, несмотря на такую быструю потерю ёмкости, 60 циклов- это уже значительное улучшение по сравнению с предыдущими результатами, так как до этого твёрдые литий-серные аккумуляторы не работали больше 20 циклов. Также следует отметить, что подобные твёрдые электролиты могут работать в большом диапазоне температур (к слову, лучше всего они работают при температурах выше 100 °С), так что температурные ограничения такого аккумуляторы будут скорее обусловлены активными материалами, нежели электролитом, что выгодно отличает такие системы от аккумуляторов, использующих в виде электролита органические растворы.
Источник
Журнал «Все о Космосе»
Установка новых литий-ионных батарей на МКС, сложности
Сегодня в нашем журнале “Всё о Космосе” мы опубликовали статью “Астронавты НАСА вышли в открытый космос для установки новых литий-ионных батарей.”
Для установки этих батарей НАСА планирует 5 выходов астронавтов в открытый космос:
Воскресенье, 6 октября, 6:30 a.m. Eastern (14:30 мск). Первый из пяти выходов в открытый космос для модернизации энергосистемы орбитальной станции. Астронавты НАСА Christina Koch и Andrew Morgan вышли в открытый космос, чтобы начать установку новых литий-ионных батарей на конструкцию Port-6. Дуэт будет работать около шести часов и 30 минут.
Зачем заменять батареи на МКС?
Ферменные конструкции — это одна из технологий, использованных НАСА при строительстве Международной космической станции. Фермы, доставляемые на орбиту шаттлом, служат для негерметичного хранения грузов, установки радиаторов, солнечных батарей, различного оборудования. Ферменные конструкции на МКС образуют так называемую ITS (Integrated Truss Structure, Объединённая ферменная структура).
«P6» (P6 Truss) — вторая ферменная конструкция запущенная к МКС после «Z1». представляет собой энергетический модуль с двумя солнечными батареями, длиной 36,58 метра каждая. Кроме этого внутри фермы смонтировано различное электротехническое и электронное оборудование, необходимое для преобразования, распределения и передачи полученной электроэнергии. «P6» была доставлена на станцию шаттлом «Индевор» (сборочная миссия МКС 4А, миссия шаттла STS-97) и 3 декабря 2000 года была установлена во временную позицию на ферме «Z1». Установка этой конструкции стала важным этапом для энергообеспечения научной программы станции и функционирования американского сегмента.
Первые элементы Международной космической станции находятся на орбите с 1998 года с запусками “Зари” и “Unity” России и США, соответственно.
Согласно проекту станции, основные солнечные батареи форпоста расположены на четырех интегрированных сегментах ферменной конструкции: P4, P6, S4 и S6.
Миссия STS-97 космического челнока Endeavour в ноябре/декабре 2000 года доставила ферму P6. Ферменная конструкция P4 была затем запущена в сентябре 2006 года, S4 в июне 2007 года и S6 в марте 2009 года.
Учитывая долговечность станции, батареи должны быть заменены, поскольку их возраст снижает эффективность работы.
На ферменной конструкции P6 уже были свои никель-водородные батареи, замененные один раз, учитывая 19 -летнее существование на орбите. Тогда были заменены оригинальные 12 никель-водородные батареи, запущенные с фермой, на 12 новых.
Когда план по замене всех батарей на станции был введен в действие, НАСА и международные партнеры решили заменить никель-водородные батареи гораздо более эффективными литий-ионными батареями.
Все новые литий-ионные батареи были запущены на борту японского космического грузовика Kounotori (HTV), поскольку эти грузовики являются единственными транспортными средствами, способными перевозить большие внешние конструкции, необходимые для запуска батарей. На S4 и P4 уже была проведена замена батарей на новые литий-ионные, и теперь настала очередь ферменной конструкции P6.
Замена батареи фермы S6 будет произведена в следующем году, после запланированного на май 2020 года запуска грузовика HTV-9 с набором из шести новых батарей.
Каждая новая литий-ионная батарея заменит две никель-водородные батареи и обеспечит большую эффективность станции на долгие годы.
Старые батареи – 170 кг, примерно 1,0 х 0,5 м. Новые литий-ионные аккумуляторы весят 197 кг.
Как поменять батареи фермы P6:
Перед заменой элементов фермы S4 и P4 выполнялись роботизированные операции, при этом экипажи выходили в космос для того, чтобы провести заключительное соединение, после того, как рука робота станции завершила снятие и замену батареи.
Использование Canadarm2 и Dextre было возможно потому, что элементы ферменной конструкции S4 и P4 ближе к центру станции и доступны для робота.
Ферменная конструкция P6 расположена гораздо дальше.
Поэтому работа на конструкции P6 должна будет выполняться вручную, в течение пяти выходов в открытый космос.
По материалам сайта NSF
Пока писалась статья, новая батарея 0015 теперь состыкована в P6 IEA-2B 1 на ферменной станции, в 14:22 UTC (17:22 мск). Теперь астронавты берут другую старую батарею с фермы P6. Старые батареи будут погружены на грузовик HTV и сгорят при входе в атмосферу.
Батарея А установлена. Это первая.
Battery A installed. That’s the first one. EVA about an hour ahead of schedule.https://t.co/A4CtQzYZJF pic.twitter.com/xT97NcPAvB
Старая батарея 0093 удалена с P6 IEA-2B 2 в 14:44 UTC (17:44 мск)
Дорогие друзья! Желаете всегда быть в курсе последних событий во Вселенной? Подпишитесь на рассылку оповещений о новых статьях, нажав на кнопку с колокольчиком в правом нижнем углу экрана ➤ ➤ ➤
Источник