Tussen eind jaren negentig en 2012 jaarlijks werden ongeveer 10 kleine satellieten gelanceerd; de prognose voor de komende zes jaar is meer dan 3 000. De Europese ruimtevaartsector heeft een kans om een ​​vooraanstaande mondiale positie te verwerven, geholpen door het juiste energieopslagsysteem.

De sector van de kleine satellieten (nanosatelliet) groeit, gedreven door toenemende miniaturisering, standaardisatie en kostenreductie. Echter, cruciaal voor het succes ervan - door het bieden van hoge prestaties voor een breed scala aan toepassingen - is efficiënte en betrouwbare energieopslag.

Het door de EU gefinancierde MONBASA-project was bedoeld om een ​​oplossing voor energieopslag te ontwikkelen; voldoen aan de bestaande normen en voorschriften, betrouwbaar, met hoge energie-efficiëntie, terwijl het licht en compact blijft. De onderzoekers ontwierpen nieuwe dunnefilmcomponenten, cruciaal voor de volgende generatie van volledig solid-state oplaadbare Li-ion-batterijen met hoog voltage.

Zorgen voor veiligheidsnormen, robuustheid, energiedichtheid, vacuüm compatibiliteit, stralingsweerstand en bedrijfstemperatuurvenster, maakt de batterijen ideaal voor ruimtetoepassingen, evenals anderen, zoals het Internet of Things (IoT).

Beter presteren dan de huidige stand van zaken

Hoewel nanosatellieten erg populair zijn geworden, met het aantal ontwikkelaars en projecten dat steeds groter wordt, Het uitgangspunt van MONBASA was dat innovatieve oplossingen voor energieopslag de sector nog verder konden stimuleren.

Het team ontwikkelde eerst een solid-state batterij op basis van een hoogspanningselektrodenpaar en keramische vaste elektrolyten, met ionische geleidbaarheid veel hoger dan commerciële vaste elektrolyten. Aangezien de integratie van de vaste elektrolyt moet worden bereikt voor de vorming van een functionele volledige cel, het juiste contact krijgen tussen kathode en elektrolyt, kritisch was. Om de fysische en chemische eigenschappen van de batterij-interfaces volledig te analyseren, de meest geavanceerde analysetools werden gebruikt.

De volgende stap was het bestuderen van batterij-integratie met ultramoderne satellietsensoren zoals micro-elektromechanische systemen (MEMS), een cruciale technologie voor sensoren en actuatoren in geavanceerde satellieten. De oplossing is getest en gevalideerd onder ruimte-achtige omstandigheden.

"We hebben verwerkingsmethoden overgenomen uit de micro-elektronica en technologische glasindustrie, die compatibel zijn met nanosatellietfabricage. Deze waren cruciaal voor het verkrijgen van hoogwaardige dunne-film Li-ion batterijcomponenten die beter presteerden dan de huidige commerciële componenten, " legt projectcoördinator Dr. Miguel Ángel Muñoz uit.

MONBASA heeft aangetoond dat dunnefilmelektroden die zijn getest tegen commerciële vloeibare elektrolyten een levensduur kunnen hebben die één orde van grootte hoger is dan conventionele commerciële elektroden. In de praktijk betekent dit dat de huidige Li-ion-cellen kunnen worden vergroot door alleen de elektroden te vervangen.

Theoretisch zou de vloeibare elektrolyt niet stabiel moeten zijn bij de hoge spanningen die door de MONBASA-kathode worden geleverd. Echter, de dunnefilmcel behield meer dan 80 % van zijn oorspronkelijke capaciteit gedurende meer dan 2 000 cycli, bij hoge stroomsnelheden en na integratie van de vaste elektrolyt, stabiel bij hoge spanningen, de celprestaties zullen nog hoger zijn.

Het project vond ook dat de MONBASA-verwerkingsmethode voor de negatieve elektrode, getest tegen een in de handel verkrijgbare vaste elektrolyt bij slechts 45 °C, kwam overeen met de prestaties van conventionele cellen die bij 70 ° C werken.

Zoals Dr. Muñoz samenvat, "De volledig solid-state-batterijen van MONBASA hebben het potentieel om de uitdagingen aan te gaan waarmee de ruimtevaartsector momenteel wordt geconfronteerd met commercieel verkrijgbare Li-ion-batterijen." Hij legt uit:"Langer levende batterijcomponenten zullen resulteren in minder storingen en dus een langere levensduur van de satelliet. Kleinere dunne film hoogspanningsbatterijen zullen kleinere satellieten mogelijk maken, het verminderen van aanrijdingsrisico's. En een breder temperatuurvenster, zal de veiligheid en prestaties onder extreme omstandigheden verbeteren."

Zorgen voor en uitbreiden van kritieke diensten

In haar ruimtestrategie voor Europa benadrukte de Europese Commissie het belang van innovatieve ruimtegegevens en -technologieën, voor diensten die onmisbaar zijn in het dagelijks leven van de Europese burgers. Kleine satellieten zijn vooral handig voor nieuwe toepassingen, omdat ze relatief goedkoop te bouwen en te lanceren zijn, kansen bieden binnen een reeks doelmarkten, zoals telecommunicatie, landbouw, vervoer en het milieu.

Deze services helpen bij het beschermen en beheren van kritieke infrastructuur, economisch concurrentievermogen versterken, de hulpbronnen voor een groeiende bevolking beheren en de druk op de klimaatverandering aanpakken. "Naast ruimtesatellieten, de projectresultaten zijn interessant voor andere toepassingen, zoals het aandrijven van autonome sensoren voor IoT en draagbare apparaten zoals voor gezondheidsmonitoring."

Maar Dr. Muñoz wijst erop, "Toekomstige inspanningen zullen gericht moeten zijn op het optimaliseren van interfaces die de integratie van een dunnefilmkathode met een dunnefilmelektrolyt mogelijk maken. het opschalen van de fabricage van componenten moet prioriteit krijgen."