Pin thể rắn SPEARS của NASA hoạt động đến -80°C trong thử nghiệm
Các cell đồng xu thử nghiệm hoạt động tốt từ 80°C đến -60°C, giảm hiệu năng ở -80°C và sống sót sau phơi nhiễm -170°C. SPEARS vẫn là chương trình phát triển, chưa phải pin đủ chuẩn bay.
NASA ngày 14/10 công bố kết quả thử nhiệt chân không mới của pin thể rắn SPEARS: các cell nguyên mẫu cỡ đồng xu hoạt động tốt từ 80°C xuống -60°C và vẫn chạy, dù hiệu năng giảm, ở -80°C. Sau khi bị phơi nhiễm trong dải từ 100°C đến -170°C, các cell không bị hư hại theo báo cáo của nhóm.
Hai mốc “hoạt động” và “sống sót” phải được phân biệt. NASA nói pin không thể phát điện khi đang ở -170°C; ưu điểm của điện phân rắn là không đóng băng như chất lỏng, nên cell có thể được làm ấm trở lại mức vận hành mà không chịu kiểu hỏng do đông đặc. Đây là kết quả nguyên mẫu trong phòng thử, chưa phải pin đã đạt chuẩn bay hoặc đã vận hành trên Mặt Trăng.
Ảnh: NASA/Ryan Hill.
Đêm Mặt Trăng đặt ra bài toán khác pin trên Trái Đất
Khu vực cực nam Mặt Trăng có thể xuống khoảng -200°C vào ban đêm hoặc trong hố tối vĩnh viễn, trong khi bề mặt nhận nắng có thể nóng tới khoảng 100°C. Pin lithium-ion thông thường dựa vào điện phân lỏng; ở lạnh sâu, khả năng dẫn ion sụt mạnh và chất lỏng có thể đông, còn chân không và nhiệt cao đặt thêm yêu cầu về vật liệu cùng bao gói.
Cách phổ biến là giữ pin trong vùng nhiệt độ an toàn bằng vật liệu cách nhiệt và bộ sưởi. Điều đó tiêu tốn điện đúng lúc nguồn mặt trời khan hiếm, đồng thời tăng khối lượng và độ phức tạp. SPEARS, viết tắt của Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space, hướng tới pin có thể để nguội khi không dùng rồi chỉ làm ấm trước khi cấp điện.
Nếu đạt được ở cấp bộ pin, chiến lược này có thể giảm nhu cầu sưởi liên tục cho rover, dụng cụ, gói điện khẩn cấp hoặc thiết bị khoa học. Nhưng bài toán hệ thống còn gồm tốc độ làm ấm, năng lượng cho heater, độ đồng đều nhiệt và số chu kỳ lạnh–nóng mà cell chịu được.
Điện phân rắn giúp cell sống sót, nhưng không tự tạo ra điện ở -170°C
SPEARS thay điện phân lỏng bằng vật liệu rắn gốc gốm hoặc polymer. Điện phân là môi trường cho ion di chuyển giữa hai điện cực; khi nó không đông theo cơ chế của chất lỏng, cấu trúc cell có cơ hội chịu lạnh sâu mà không nứt hoặc tách lớp vì pha đông.
Trong thử nghiệm tại NASA Langley, nhóm đặt các cell nhỏ trong buồng mô phỏng chân không và thay đổi nhiệt độ. NASA cho biết chúng làm việc tốt từ 80°C tới -60°C, rồi suy giảm một phần ở -80°C. Việc sống sót qua -170°C cho thấy hướng vật liệu có tiềm năng, nhưng không chứng minh pin cấp điện tại nhiệt độ gần đáy đêm Mặt Trăng.
NASA cũng nói hóa học điện cực có thể được điều chỉnh theo mục tiêu năng lượng, công suất hoặc độ bền. Tính linh hoạt đó là lợi thế nghiên cứu; đồng thời nó cho thấy SPEARS chưa phải một cấu hình sản phẩm duy nhất với thông số cố định.
Những dữ liệu còn thiếu trước khi nói tới nhiệm vụ Artemis
Thông báo không nêu mật độ năng lượng, công suất ở từng nhiệt độ, thời gian sạc, số chu kỳ, tỷ lệ tự xả hoặc suy giảm sau nhiều lần sốc nhiệt. Các cell thử còn ở dạng đồng xu, trong khi một bộ pin bay cần nhiều cell, dây dẫn, cảm biến, mạch cân bằng, bảo vệ và kết cấu chịu rung.
Khoảng cách từ -80°C, mức pin còn vận hành, đến khoảng -200°C của đêm cực nam vẫn rất lớn. SPEARS không loại bỏ heater; ý tưởng là giảm thời gian phải giữ ấm rồi hâm pin tới vùng làm việc. Hiệu quả tổng chỉ có thể đánh giá khi biết năng lượng và thời gian cần cho chu trình đó.
Chương trình bắt đầu năm 2026 với kinh phí từ bộ phận nghiên cứu và công nghệ của NASA. Ames đang phát triển phần cứng thử như bo mạch và điện tử để chuẩn bị cho môi trường không gian. NASA nói giai đoạn đầu tập trung phát triển công nghệ, sau đó mới có thể chuyển sang hợp tác thương mại.
Kết quả đáng chú ý nằm ở khả năng hồi phục sau lạnh sâu
Thành tựu hiện tại không phải “pin chạy ở -170°C”, mà là cell thể rắn có thể trải qua mức lạnh đó không hỏng rồi hoạt động lại sau khi được làm ấm. Với một phương tiện có lúc phải ngủ trong bóng tối, khả năng sống sót thụ động có thể tiết kiệm khối lượng cách nhiệt và điện dự trữ.
Ứng dụng trên Trái Đất cũng được NASA nhắc tới, từ drone đến xe và thiết bị liên lạc, nhưng chưa có sản phẩm thương mại hoặc lịch chuyển giao cụ thể. Tiêu chuẩn hợp lý cho bước tiếp theo là dữ liệu chu kỳ dài, cell lớn hơn, bộ pin hoàn chỉnh và thử nghiệm trong không gian.
SPEARS vì thế nên được xem là một kết quả vật liệu và thử nghiệm nhiệt có triển vọng. Nó giải một phần quan trọng của bài toán pin Mặt Trăng, song chưa trả lời đầy đủ về năng lượng, tuổi thọ, độ an toàn và khả năng tích hợp mà một nhiệm vụ có người lái đòi hỏi.
.jpg)
