Chiunque abbia provato a usare uno smartphone lasciato per ore al freddo sa che batterie e basse temperature non vanno particolarmente d’accordo. Sulla Luna, però, il problema è decisamente più serio: al polo sud, durante la notte, le temperature possono scendere fino a circa 200 gradi sotto zero, mentre nelle zone illuminate dal Sole la superficie può superare i 100 gradi Celsius. E se in futuro astronauti, rover e strumenti scientifici dovranno trascorrere sempre più tempo da quelle parti, qualcosa dovrà pur tenerli accesi.
È il problema al centro di SpearS, acronimo di Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space, un progetto della Nasa appena partito sotto la guida di Donald Dornbusch, del Glenn Research Center di Cleveland, per sviluppare batterie allo stato solido capaci di resistere alle condizioni estreme della superficie lunare. A rendere vulnerabili al freddo le comuni batterie agli ioni di litio, come quelle di smartphone e computer portatili, è soprattutto l’elettrolita liquido, ossia il materiale che permette agli ioni di muoversi tra i due elettrodi mentre la batteria si carica e si scarica: se la temperatura scende troppo può congelare e danneggiare la batteria. All’altro estremo, quando la superficie supera i 100 gradi Celsius, una batteria convenzionale smette di funzionare finché non si raffredda. E nel vuoto dello spazio l’elettrolita liquido può evaporare più facilmente, perché non c’è pressione esterna a contenerlo.
Nike Lin, del team che conduce i test in vuoto termico, pesa le batterie al termine delle prove. Crediti: Nasa/Ryan Hill
L’idea di SpearS è sostituirlo con un elettrolita solido, realizzato con materiali come ceramiche o polimeri. Niente liquido da congelare o far evaporare e, soprattutto, una maggiore capacità di attraversare temperature molto diverse senza riportare danni. I primi prototipi sono già finiti nella camera a vuoto termico del Langley Research Center della Nasa, in Virginia, dove Yi Lin coordina i test e le attività di ricerca sulle celle. Piccole, simili alle batterie a bottone, sono state sottoposte a condizioni di temperatura e pressione che riproducono alcuni degli estremi che potrebbero incontrare nello spazio. Durante le prove hanno funzionato bene fra +80 e -60 gradi Celsius e hanno continuato a lavorare, con prestazioni leggermente ridotte, fino a meno 80 gradi. Ma il risultato forse più interessante arriva quando si scende ancora. Le batterie sono state esposte a temperature comprese fra +100 e -170 gradi Celsius senza riportare danni. Questo non significa che possano alimentare un rover a meno 170 gradi: a temperature tanto basse nemmeno le batterie allo stato solido riescono a funzionare. La differenza è che possono sopravvivere al freddo e tornare operative una volta riscaldate.
Per far ripartire le celle dopo l’esposizione al freddo bastano piccoli riscaldatori che le riportino alla loro temperatura operativa: non sarebbe quindi necessario mantenerle calde continuamente. Si potrebbero così ridurre i sistemi di controllo termico e di isolamento che, su un veicolo o un habitat lunare, occupano spazio, consumano energia e aggiungono massa da trasportare. Le possibili applicazioni coprono praticamente tutto ciò che sulla Luna avrà bisogno di una fonte di energia portatile: utensili destinati a lavorare nei crateri in ombra, rover, strumenti scientifici pensati per restare sulla superficie a lungo e batterie d’emergenza per gli astronauti. E non è detto che per tutti serva la stessa ricetta. Cambiando i materiali degli elettrodi, la chimica delle batterie può essere adattata privilegiando di volta in volta la quantità di energia immagazzinata, la potenza o la durata. Un po’ come già accade sulla Terra: la batteria di un paio di auricolari non deve fare lo stesso lavoro di quella di un’automobile.
SpearS, comunque, è appena partito. Nelle prime fasi il lavoro sarà dedicato soprattutto allo sviluppo della tecnologia. Intanto, all’Ames Research Center della Nasa, in California, si sta lavorando all’elettronica e all’hardware necessari per preparare queste batterie a futuri test direttamente nello spazio. Prima di trascorrere lunghi periodi sulla Luna bisognerà risolvere problemi enormi: portare fin lassù persone e materiali, proteggerli dalle radiazioni, costruire habitat, trovare e utilizzare risorse locali. Ma anche assicurarsi che, quando servirà accendere un trapano, far ripartire un rover o alimentare uno strumento, la batteria non abbia preso troppo freddo.