Le batterie standard non tollerano il freddo estremo. È per questo che i ricercatori della NASA stanno lavorando allo sviluppo di una batteria in grado di funzionare nel gelo proibitivo del Polo Sud lunare, dove, durante la notte, le temperature scendono fino a -200°C. Per le future missioni lunari, sarà necessaria una batteria capace di entrare in funzione immediatamente una volta riscaldata e di alimentare qualsiasi dispositivo, dal kit di emergenza di un astronauta a un rover destinato a esplorare i crateri più oscuri della Luna; il tutto senza alcun rischio di incendio. Un team di ricercatori della NASA è al lavoro per rendere tutto ciò possibile. Il progetto, denominato SPEARS (Solid Power for Extreme Environment Adaptability and Resilience in Space), potrebbe fornire alla NASA uno strumento fondamentale per sostenere la presenza umana sulla Luna nell’ambito del programma Artemis.
“Le batterie sono diventate una parte essenziale della nostra vita quotidiana sulla Terra: alimentano i nostri computer portatili, telefoni cellulari, utensili elettrici e persino i nostri veicoli“, ha dichiarato Donald Dornbusch, ricercatore capo del progetto SPEARS presso il Glenn Research Center della NASA a Cleveland, dove viene coordinato il lavoro. “Ne avremo bisogno anche sulla Luna, dove dovranno funzionare in modo affidabile e sicuro in un ambiente così ostile. Ecco perché stiamo sviluppando questa tecnologia”.
Un problema legato ai liquidi, una soluzione allo stato solido
Le tradizionali batterie agli ioni di litio, come quelle presenti nei nostri telefoni o computer portatili, presentano un punto debole critico: si basano su elettroliti liquidi. Se si raffredda una batteria convenzionale fino alle temperature notturne lunari, il liquido congela, rischiando di danneggiare la batteria stessa. Se invece la si riscalda troppo – raggiungendo, ad esempio, i +100°C tipici del giorno lunare – la batteria smette di funzionare finché non viene raffreddata. Inoltre, se il liquido viene esposto al vuoto dello spazio, evapora.
Le batterie SPEARS risolvono queste criticità sostituendo l’elettrolita liquido con un materiale solido a base ceramica o polimerica. Questa innovazione potrebbe offrire numerosi vantaggi. Innanzitutto, sono in grado di funzionare sia in condizioni di caldo che di freddo estremo. Nel corso di recenti test in camera a vuoto termico presso il Langley Research Center della NASA, a Hampton (Virginia), alcuni prototipi di celle a batteria hanno mostrato un buon funzionamento fino a +80°C e fino a -60°C, mantenendo prestazioni accettabili, seppur leggermente ridotte, fino a -80°C. “Abbiamo dimostrato per la prima volta che queste celle possono operare fino a -80°C”, ha dichiarato Yi Lin, responsabile della ricerca e dei test SPEARS presso il Langley Research Center della NASA. Lin si è inoltre detto fiducioso che, nei prossimi anni, sarà possibile migliorare le prestazioni ed eventualmente ampliare ulteriormente questo intervallo operativo.
Le batterie devono rimanere affidabili nonostante l’esposizione alle notevoli escursioni termiche che caratterizzano il ciclo giorno-notte sulla Luna. I test in camera a vuoto termico hanno confermato che, anche dopo essere state sottoposte a temperature estreme – da +100°C a -170°C – le batterie SPEARS non subiscono alcun danno. Sebbene nemmeno le batterie allo stato solido siano in grado di funzionare a una temperatura di -170°C, il fatto che i loro elettroliti solidi non congelino (a differenza di quelli liquidi) consente a tali batterie di sopravvivere a temperature estremamente basse.
Per riattivare le batterie dopo un’esposizione a un freddo così intenso, entrano in gioco dei piccoli riscaldatori. Le batterie SPEARS non necessitano di essere mantenute calde costantemente, ma solo di essere riportate alla temperatura operativa. Ciò potrebbe ridurre la necessità di pesanti sistemi di gestione termica nei veicoli spaziali e negli habitat lunari, favorendo la realizzazione di strutture più leggere, una riduzione dei costi e una maggiore durata delle missioni.
Energia per la Luna e per la Terra
Le applicazioni per queste batterie allo stato solido sono pressoché illimitate: si va dai piccoli utensili, come i trapani che devono poter operare nei crateri lunari in ombra, ai rover, fino ai sistemi di alimentazione di emergenza per gli astronauti. Potrebbero inoltre fornire soluzioni energetiche per strumenti scientifici destinati a missioni di lunga durata. “Possiamo modulare la chimica del sistema utilizzando materiali diversi per gli elettrodi”, ha spiegato Lin. “Proprio come la composizione chimica dei vostri auricolari è diversa da quella del vostro telefono, che a sua volta differisce da quella presente nella vostra auto, tutte queste diverse configurazioni chimiche possono comunque funzionare con un elettrolita solido. Possiamo calibrare il sistema per privilegiare l’energia, la potenza o la durata, a seconda dell’applicazione specifica”.
Sebbene SPEARS sia stato progettato per lo spazio, questa tecnologia potrebbe trovare impiego anche in applicazioni terrestri. Di fatto, SPEARS è nato dall’evoluzione di un precedente progetto sulle batterie, a cui hanno lavorato Lin e Dornbusch, incentrato su applicazioni aeronautiche. “Il mercato potenziale per le batterie a stato solido è estremamente vasto. Automobili, telefoni cellulari, dispositivi di comunicazione, droni: tutto ciò che richiede una fonte di alimentazione portatile”, ha affermato Ji Su, scienziato esperto in materiali polimerici e responsabile del progetto presso il NASA Langley.
Il progetto SPEARS ha avuto inizio nel 2026. Nelle sue fasi iniziali, il progetto si concentrerà sullo sviluppo tecnologico, per poi orientarsi potenzialmente verso una collaborazione commerciale. L’Ames Research Center della NASA, situato nella Silicon Valley in California, sta lavorando allo sviluppo di componenti hardware per il volo – come schede di test ed elettronica – al fine di preparare le batterie SPEARS al volo spaziale e di testarle in ambienti spaziali.
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