Ingenieurs daalden af ​​in bunkers om ruimtebatterijen tot vernietiging te testen - door oververhitting, overladen, kortsluiting en zelfs door ze met kogels te beschieten. De driejarige testcampagne helpt bij het beoordelen van het risico van verlaten satellieten die in een baan om de aarde exploderen als gevolg van catastrofale batterijreacties.

Extreme 'misbruik'-testen van de huidige generatie lithium-ionbatterijen voor de ruimte vonden plaats in de testbunkers van de Franse Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA).

Het doel was om richtlijnen te ontwikkelen om ervoor te zorgen dat batterijen aan boord van satellieten veilig inactief blijven na het einde van een ruimtemissie, het helpen voorkomen van het uiteenvallen van satellieten, een belangrijke bron van ruimteschroot.

"Van de meer dan 250 bekende satellietexplosies die in een baan om de aarde hebben plaatsgevonden, ongeveer 10 waren te wijten aan batterijen, " legt ESA power systems engineer François Bausier uit, toezicht houden op het project.

"Alle batterij-explosies in het verleden waren van oudere technologieën die niet langer worden gebruikt voor nieuwe ESA-missies.

"Er is nog nooit waargenomen dat de huidige lithium-ionbatterijen voor de ruimte kapot gaan tijdens de vlucht, maar ze kunnen heel goed exploderen als ze thermisch zijn, elektrisch of mechanisch misbruikt. Daarom hebben we ze onderworpen aan extreem zware omstandigheden om te simuleren wat de batterijen zouden kunnen tegenkomen zodra een ruimtemissie is afgelopen en een satelliet in een baan om de aarde blijft drijven."

Vindt plaats als onderdeel van ESA's Clean Space-initiatief, de tests kwamen voort uit een grotere focus op het veilig maken van satellieten zodra hun missie eindigt door ze volledig uit te schakelen.

Er zijn meer dan 200 misbruiktests uitgevoerd op verschillende soorten batterijcellen en -modules, wat betekent dat er meerdere cellen met elkaar zijn verbonden. Deze cellen waren ofwel gloednieuw of waren onderworpen aan gesimuleerde ruimtestraling en vele malen opgeladen en ontladen om ze te verouderen.

De tests omvatten een focus op het functioneren van interne beveiligingssystemen in de cellen zelf in extreme omstandigheden, zoals interne stroomonderbrekers of ontluchtingsmechanismen bij overdruk.

Vernietigingsmethoden omvatten externe en interne kortsluitingen, storingen die kunnen optreden als gevolg van isolatieproblemen, structurele storingen of fabricagefouten; andere tests waren onder meer overladen, wat leidde tot oververhitting, en ook directe oververhittingstests.

Ook zijn 'Overdischarge'-testen uitgevoerd om te onderzoeken of een dergelijke ontlaadmethode daadwerkelijk kan worden gebruikt om de accu's aan het einde van hun levensduur veilig te 'passiveren'.

Hoge temperaturen van batterijen, zoals die kunnen optreden wanneer een drijvende satelliet wegkwijnt in orbitaal zonlicht, kunnen zeer snelle reacties veroorzaken, soms te snel om beveiligingssystemen in werking te laten treden.

"Een andere misbruikmethode was het simuleren van een inslag door een micrometeoroïde of een stuk ruimtepuin, ", voegt Francois toe. "Omloopsnelheden kunnen hoger zijn dan 20 km/s; we konden deze snelheid op de grond niet bereiken, dus besloten we om in plaats daarvan een grotere kogel te gebruiken - 8 mm in plaats van 0,8 mm. Met deze configuratie werd dezelfde totale energie bereikt."

De meeste testen vonden plaats in een inerte atmosfeer, gebrek aan zuurstof, overeenkomen met de orbitale omgeving. Maar dit gebrek aan zuurstof betekent niet noodzakelijk dat de reacties zoveel minder heftig zijn, aangezien de cellen zelf zowel brandstof als oxidatiemiddel voor verbranding bevatten.

De resulterende satellietpassiveringsaanbevelingen omvatten dat batterijen aan het einde van hun missie zo veel mogelijk moeten worden ontladen, en volledig losgekoppeld zijn van de zonnepanelen om verdere lading of overbelasting te voorkomen. Bovendien moeten de batterijen binnen veilige temperaturen worden bewaard. Deze aanbevelingen zouden idealiter vroeg in de ontwerpfase van de missie moeten worden overwogen.

ESA-batterijspecialist Maria Nestoridi ondersteunde dit project. "Het is belangrijk om te begrijpen dat de aanbevelingen van deze activiteit gebaseerd zijn op tests die zijn uitgevoerd op huidige voor de ruimte gekwalificeerde lithium-ioncellen. Drempels voor nieuwe celontwerpen zullen in de toekomst natuurlijk door de respectieve batterijfabrikanten moeten worden gedefinieerd."

Passivering is een belangrijk punt voor alle satellieten, maar in het bijzonder voor degenen die zich in een lage baan om de aarde bevinden met veel mensenhandel onder de 2000 km hoogte, waar internationale regelgeving vereist dat de baan na de missie binnen 25 jaar wordt beëindigd, en dat deze satellieten in de tussentijd veilig inactief blijven.