Pin thông thường có thể mất khả năng hoạt động trong điều kiện lạnh giá, chẳng hạn vào những buổi sáng mùa đông khắc nghiệt. Trên Mặt Trăng, thách thức còn lớn hơn nhiều: nhiệt độ ban đêm tại cực Nam có thể xuống tới âm 200 độ C. Vì vậy, NASA đang phát triển loại pin có thể chịu được môi trường nhiệt độ khắc nghiệt, phục vụ các sứ mệnh đưa con người trở lại và duy trì hoạt động lâu dài trên Mặt Trăng.
Pin này phải có khả năng nhanh chóng hoạt động trở lại sau khi được làm ấm, đồng thời cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị, từ bộ dụng cụ khẩn cấp của phi hành gia đến xe tự hành khám phá những miệng hố tối tăm trên Mặt Trăng. Công nghệ cũng phải bảo đảm an toàn, hạn chế nguy cơ cháy nổ.
Để đáp ứng những yêu cầu đó, nhóm nghiên cứu NASA đang phát triển dự án SPEARS, viết tắt của Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space (Pin thể rắn thích ứng và chống chịu trong môi trường không gian khắc nghiệt). Công nghệ này được kỳ vọng góp phần cung cấp năng lượng cho các hoạt động dài hạn của con người trên Mặt Trăng trong khuôn khổ chương trình Artemis.
“Pin đã trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống trên Trái Đất, cung cấp năng lượng cho máy tính xách tay, điện thoại di động, dụng cụ điện và cả phương tiện giao thông,” Donald Dornbusch, trưởng nhóm nghiên cứu SPEARS tại Trung tâm Nghiên cứu Glenn của NASA ở Cleveland, cho biết.
“Chúng ta cũng sẽ cần pin trên Mặt Trăng. Những loại pin này phải hoạt động đáng tin cậy và an toàn trong môi trường khắc nghiệt. Đó là lý do chúng tôi phát triển công nghệ này,” ông nói.
Pin thể rắn khắc phục giới hạn nhiệt độ
Pin lithium-ion thông thường, được sử dụng phổ biến trong điện thoại và máy tính xách tay, có một điểm yếu: chất điện phân bên trong ở dạng lỏng. Khi nhiệt độ xuống quá thấp, chất lỏng có thể đóng băng, làm hỏng pin. Ngược lại, nếu nhiệt độ tăng quá cao, chẳng hạn lên 100 độ C như có thể xảy ra trên bề mặt Mặt Trăng vào ban ngày, pin cũng không thể hoạt động cho đến khi nguội xuống. Trong môi trường chân không ngoài không gian, chất điện phân dạng lỏng còn có thể bay hơi.
Dự án SPEARS tìm cách khắc phục những hạn chế này bằng cách thay chất điện phân dạng lỏng bằng vật liệu rắn có nền gốm hoặc polymer. Nhờ đó, pin có thể chịu được những biến động nhiệt độ lớn mà không gặp các vấn đề thường thấy ở pin sử dụng chất điện phân lỏng.
Trong các thử nghiệm chân không nhiệt gần đây tại Trung tâm Nghiên cứu Langley của NASA ở Hampton, bang Virginia, những viên pin nguyên mẫu cỡ nhỏ hoạt động tốt ở nhiệt độ lên tới 80 độ C và xuống tới âm 60 độ C. Khi nhiệt độ giảm xuống âm 80 độ C, hiệu suất pin suy giảm nhẹ nhưng pin vẫn hoạt động.
“Lần đầu tiên, chúng tôi chứng minh được các viên pin này có thể hoạt động ở nhiệt độ âm 80 độ C,” Yi Lin, trưởng nhóm thử nghiệm và nghiên cứu SPEARS tại NASA Langley, cho biết. Ông Lin tin rằng nhóm nghiên cứu có thể tiếp tục cải thiện hiệu suất và mở rộng phạm vi nhiệt độ hoạt động trong những năm tới.
Ngoài khả năng vận hành trong môi trường nóng hoặc lạnh, pin còn phải chịu được sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa ngày và đêm trên Mặt Trăng. Kết quả thử nghiệm chân không nhiệt cho thấy pin SPEARS không bị hư hại sau khi tiếp xúc với nhiệt độ từ 100 độ C xuống âm 170 độ C.
Theo ông Lin, nhóm nghiên cứu có thể điều chỉnh thành phần hóa học của pin bằng cách thay đổi vật liệu điện cực để đáp ứng những yêu cầu khác nhau về dung lượng năng lượng, công suất và độ bền.
Dù vậy, khả năng chịu nhiệt không đồng nghĩa pin có thể hoạt động ngay trong điều kiện lạnh cực độ. Ngay cả pin thể rắn cũng không thể vận hành ở âm 170 độ C. Ưu điểm của chất điện phân rắn là không đóng băng như chất lỏng, giúp pin chịu được nhiệt độ thấp mà không bị hư hại.
Để pin hoạt động trở lại sau khi trải qua giá lạnh khắc nghiệt, nhóm nghiên cứu dự kiến sử dụng các bộ phận làm nóng cỡ nhỏ. Pin không cần được giữ ấm liên tục mà chỉ cần được làm nóng đến nhiệt độ vận hành.
Giải pháp này có thể giảm nhu cầu sử dụng các hệ thống kiểm soát nhiệt cồng kềnh trên tàu vũ trụ và tại nơi ở của phi hành gia trên Mặt Trăng. Nhờ đó, thiết kế phương tiện có thể nhẹ hơn, chi phí giảm và thời gian thực hiện nhiệm vụ được kéo dài.
Ứng dụng từ Mặt Trăng đến Trái Đất
Pin SPEARS có thể cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị phục vụ hoạt động trên Mặt Trăng, từ máy khoan hoạt động trong các miệng hố khuất ánh sáng đến xe tự hành và bộ nguồn dự phòng khẩn cấp cho phi hành gia. Công nghệ này cũng có thể được sử dụng cho các thiết bị nghiên cứu khoa học cần hoạt động trong thời gian dài.
Khả năng điều chỉnh vật liệu điện cực cho phép nhóm nghiên cứu phát triển các loại pin phù hợp với từng ứng dụng. Chẳng hạn, một thiết bị cần công suất lớn sẽ có yêu cầu khác với thiết bị ưu tiên thời gian hoạt động dài hoặc độ bền cao.
Dù được phát triển cho các nhiệm vụ không gian, công nghệ SPEARS cũng có tiềm năng ứng dụng trên Trái Đất. Dự án thực tế bắt nguồn từ một chương trình nghiên cứu pin trước đó của ông Lin và ông Dornbusch, vốn tập trung vào lĩnh vực hàng không.
“Thị trường tiềm năng của pin thể rắn rất rộng lớn,” Ji Su, nhà khoa học vật liệu polymer kiêm trưởng nhóm công tác tại NASA Langley, cho biết. “Ô tô, điện thoại di động, thiết bị liên lạc, máy bay không người lái — bất cứ thiết bị nào cần nguồn điện di động đều có thể là đối tượng ứng dụng.”
Dự án SPEARS bắt đầu vào năm 2026, sử dụng nguồn kinh phí từ bộ phận Nghiên cứu và Công nghệ tiên tiến thuộc Ban Giám đốc Sứ mệnh Nghiên cứu và Công nghệ của NASA. Trong giai đoạn đầu, dự án tập trung phát triển công nghệ trước khi xem xét khả năng hợp tác thương mại.
Trong khi đó, Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA tại Thung lũng Silicon, bang California, đang phát triển phần cứng phục vụ thử nghiệm trong các chuyến bay không gian, gồm bảng mạch thử nghiệm và thiết bị điện tử. Những hạng mục này sẽ giúp chuẩn bị cho pin SPEARS được đưa lên không gian và đánh giá khả năng hoạt động trong môi trường thực tế.
Nếu được phát triển thành công, pin thể rắn có thể giúp các thiết bị trên Mặt Trăng hoạt động an toàn và tin cậy hơn trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt, đồng thời mở ra hướng ứng dụng mới cho các nguồn điện di động trên Trái Đất.
Nike Lin, kỹ sư hỗ trợ kiêm kỹ thuật viên của nhóm thử nghiệm chân không nhiệt, cân pin sau thử nghiệm tại NASA Langley. Ảnh: NASA
Từ trái sang phải: Donald Dornbusch (NASA Glenn), Godfrey Sauti, Sang-Hyon Chu, Yi Lin (NASA Langley) và Malachi Mooney-Rivkin (NASA Ames) trong một đợt thử nghiệm chân không nhiệt tại NASA Langley. Ảnh: NASA
