火星毅力号火星车。迪马泽尔Shutterstock
航天机构不再只谈论造访月球，而是在规划如何在月球上生活。
美国国家航空航天局希望通过其阿尔忒弥斯计划在21世纪30年代前建立永久的月球存在。与此同时，中国已将目光投向在本十年末实现宇航员登月，并计划与国际伙伴共同建设永久月球基地，目标是到21世纪30年代中期建立月球研究站。
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但所有这些宏伟的抱负都建立在一个出乎意料的脆弱基础之上。在一个几乎所有东西都在试图损坏你的电池的地方，你要如何储存能源呢？
这是科幻作品很少停下来思考的一个问题。电影乐于展示火箭发射以及太空栖息地在黑暗的太空中发光，但维持这些系统运转的能量通常被视为理所当然。在现实生活中，工程师们更清楚这一点，因为在太空中，电池往往是最薄弱的环节。
在《火星救援》和《星际穿越》等电影中，我们能瞥见太阳能电池板、发电机或反应堆。但问题最棘手的部分——在极端环境下长时间储存、保护和管理能源的方式——在很大程度上是看不到的。
电力系统只是在后台可靠地运行。电池不会退化、冻结、过热，也不会在最糟糕的时刻失效。让漫游车移动和生命支持系统运行的化学物质很少受到质疑。毕竟，退化的阳极可能不会成为扣人心弦的电影素材。
回到现实的地球生活中，电池在温和、稳定的环境中能发挥更好的性能。然而，太空环境却截然不同。在月球的夜晚，温度可降至零下150摄氏度，而在阳光直射下，温度又会超过零上150摄氏度。强烈的辐射会破坏化学键。由于没有大气层，热量无处散发。甚至微重力环境也会改变电池内部液体的流动方式。
为手机、笔记本电脑和电动汽车供电的锂离子电池从未针对太空环境进行设计。即便在如今的太空任务中，也依赖经过大幅改造的专业系统。例如，火星上的毅力号探测器搭载的电池是为在严寒和沙尘暴环境中存活而设计的。而国际空间站则用经过特殊设计、能够承受多年快速热循环的锂离子电池组替换了老化的镍氢电池组。
如果人类真的打算在月球建立栖息地、使用长距离漫游车并开展持续探测任务，我们就需要比地球上所用的电池化学体系更耐用的电池体系。
太空究竟对电池做了什么
我和我的同事们正试图弄清楚，当电池被置于远超其设计条件的环境中时，究竟会发生什么。我们使用先进的建模工具来模拟太空中的极端环境，从会逐渐使电极材料退化的辐射，米兰app官方网站到在没有空气散热的情况下热量积聚的方式。
我们看到的情况发人深省。在我们的模拟中，电极会在月球夜晚的深度冻结期间断裂。在阳光直射下，电池会迅速过热。在火星沙尘暴期间，某些组件的降解速度比许多现有模型预测的要快得多。
这些模拟中的每一个都与我们实验室的实验相结合，我们在实验室的受控条件下测试这种行为。通过将建模与实践研究相结合，我们正试图找出导致失效的精确机制，以及如何预防这些机制。
马特达蒙在《火星救援》中花在利用自己的粪便种植土豆上的时间，远远多于他照料电池的时间。
我们的研究一次又一次地表明：太空环境不仅会对电池造成压力，还会同时暴露电池的所有弱点。在地球上运行良好的设计，在月球上可能只能维持几分钟。
在太空生存意味着重新思考电池的用途。能量密度很重要，但安全性、热稳定性和寿命等问题也同样重要。
一种很有前景的选择是镁空气电池，它使用质轻且储量丰富的金属，单位质量能提供极高的能量。这类系统可能非常适合无人机、移动设备或应急备用电源，在这些场景中重量至关重要。
对于载人任务而言，可靠性往往比容量更为重要。钛酸锂电池牺牲了一些能量密度，但具备出色的热稳定性、长循环寿命以及在压力条件下更高的安全性。这些特性使它们在航天器和月球表面系统应用中颇具吸引力。
为何现在这事至关重要
随着地外基地的发展，储能将开始类似于地球电网的问题。在这方面，钠离子和钾离子电池可能会发挥作用。它们比锂基系统更便宜且更易于规模化，这使它们成为稳定月球或火星上栖息地规模能源网络的潜在候选方案。
某些类型的技术甚至可以发挥多种功能。既能储存能量又能生成有用化合物（如过氧化氢）的电化学系统，可在密封栖息地内支持消毒、水处理或与氧气相关的过程。在航天工程中，一个能完成多项任务的单一系统可以节省质量，而质量至关重要。
如果我们能制造出在太空环境中也能正常使用的电池，那么屏幕上所呈现的各种未来景象或许将不再是幻想，而会变成实实在在的工程问题。并且，这一天的到来可能比大多数人预想的要近。
BY: Hammad Nazir
FY: AI
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