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Ingéniosité scientifique : la batterie qui s'adapte aux conditions extrêmes de Mars

Ingéniosité scientifique : la batterie qui s’adapte aux conditions extrêmes de Mars

par La rédaction
1 octobre 2024
en Batterie, Technologie

L’exploration de Mars franchit un nouveau cap grâce à une innovation énergétique remarquable. Des scientifiques ont conçu une batterie spécialement adaptée aux conditions uniques de la planète rouge, élargissant les horizons des futures missions martiennes.

Une batterie exploitant l’atmosphère martienne

L’atmosphère de Mars, constituée principalement de dioxyde de carbone (95,32%), d’azote (2,7%), d’argon (1,6%), d’oxygène (0,13%) et de monoxyde de carbone (0,08%), pose des défis considérables pour l’exploration spatiale. Les variations de température extrêmes, atteignant des écarts de 60°C entre le jour et la nuit, complexifient davantage l’environnement martien.

Pour répondre à ces exigences, le professeur Peng Tan et le Dr Xu Xiao ont mis au point une batterie martienne innovante. L’originalité de leur invention réside dans l’utilisation de l’atmosphère de Mars comme combustible lors de la décharge. Cette approche réduit significativement le poids de la batterie, la rendant plus appropriée aux missions spatiales.

Une fois déchargée, la batterie se recharge grâce à l’énergie solaire captée à la surface martienne, se préparant ainsi pour de nouvelles utilisations. L’équipe de recherche a également reproduit les conditions de surface de Mars, incluant les fluctuations de température, pour développer un système de batterie capable de fournir une alimentation ininterrompue.

(Couleur en ligne) Démonstration de l'application et du potentiel de développement des batteries Mars toutes températures. (a-c) La batterie alimente un mode astronaute et une montre électronique à 0, 20 °C et dans l'obscurité totale, respectivement (voir le film S1 en ligne). Images IR synchronisées à (d) 0 et (e) 20 °C, respectivement. (f, g) Tensions en circuit ouvert avant et après le test, respectivement. (h) Photographie d'une batterie à poche à haute densité énergétique d'une taille de 2 cm × 2 cm. Il s'agit d'une structure cellulaire pliée à double couche assemblée avec une cathode RuO2/CNT autoportante à haute charge. (i) Diagramme circulaire de la répartition du poids. (j) Graphique de comparaison de la densité énergétique de la batterie Mars avec des composants optimisés à 60 °C.
(Couleur en ligne) Démonstration de l’application et du potentiel de développement des batteries Mars toutes températures. (a-c) La batterie alimente un mode astronaute et une montre électronique à 0, 20 °C et dans l’obscurité totale, respectivement (voir le film S1 en ligne). Images IR synchronisées à (d) 0 et (e) 20 °C, respectivement. (f, g) Tensions en circuit ouvert avant et après le test, respectivement. (h) Photographie d’une batterie à poche à haute densité énergétique d’une taille de 2 cm × 2 cm. Il s’agit d’une structure cellulaire pliée à double couche assemblée avec une cathode RuO2/CNT autoportante à haute charge. (i) Diagramme circulaire de la répartition du poids. (j) Graphique de comparaison de la densité énergétique de la batterie Mars avec des composants optimisés à 60 °C.

Des performances remarquables en conditions martiennes

Les chercheurs ont démontré qu’à une température de 0°C, la batterie atteint une densité énergétique impressionnante de 373,9 Wh kg-1 et une durée de vie en cycles de charge/décharge de 1 375 heures. Cette performance équivaut à environ deux mois martiens de fonctionnement continu.

Les processus de charge et de décharge de la batterie impliquent la formation et la décomposition de carbonate de lithium. Les traces d’oxygène et de monoxyde de carbone présentes dans l’atmosphère martienne jouent le rôle de catalyseurs, accélérant considérablement la cinétique de conversion du dioxyde de carbone.

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L’équipe a optimisé la surface de réaction effective avec l’atmosphère martienne grâce à une préparation intégrée des électrodes et une conception de structure cellulaire pliée. En augmentant la taille de la cellule à 4 cm2, ils ont encore amélioré la densité énergétique de la batterie souple, atteignant 765 Wh kg-1 et 630 Wh l-1.

Ingéniosité scientifique : la batterie qui s'adapte aux conditions extrêmes de Mars

Vers une nouvelle ère d’exploration martienne

D’après les chercheurs, cette étude apporte une preuve de concept essentielle pour l’application des batteries martiennes dans des environnements martiens réels. Le professeur Peng Tan a affirmé : «Notre objectif consiste à faire progresser le développement de batteries martiennes à l’état solide dans nos futures recherches.»

Les prochains défis à relever comprennent la gestion de la volatilisation de l’électrolyte sous basse pression, ainsi que le développement de systèmes de gestion thermique et barométrique. Ces travaux représentent une étape fondamentale vers l’élaboration de systèmes complémentaires multi-énergies pour l’exploration spatiale future.

Cette innovation pourrait jouer un rôle déterminant dans les futures missions martiennes, en fournissant une source d’énergie fiable et adaptée aux conditions spécifiques de la planète rouge. Les implications pour l’exploration spatiale à long terme s’avèrent considérables, permettant des séjours prolongés et des études approfondies de l’environnement martien.

(Couleur en ligne) Les batteries martiennes de première classe ont mis à jour le système d'alimentation en énergie pour l'exploration de Mars. (a) Illustration schématique du positionnement et du principe de fonctionnement du système d'alimentation en énergie pour l'exploration de Mars. Comparaison des performances entre les batteries Mars et les batteries Li-CO2. (b) Courbes capacité-tension à 100 mA g-1. (c) Courbes CV à une vitesse de balayage de 0,1 mV s-1. (d) Performance multidimensionnelle. Avantages des performances des piles Mars. (e) Diagrammes de Ragone pour les densités d'énergie spécifique (Wh kg-1) et volumétrique (Wh L-1) au niveau des cellules avec des batteries commerciales représentatives et des batteries rapportées, et les départs représentent les valeurs minimales, moyennes et maximales à 0, 25 et 60 °C, respectivement. (f) Durée de vie extrêmement longue à basse température de 0 °C avec 500 mAh g-1 (profondeur de décharge/charge d'environ 20 %) par cycle à 100 mA g-1, et l'encadré montre les quatre derniers temps de la courbe de cyclage et des photographies des deux côtés de l'anode Li après le cycle.
(Couleur en ligne) Les batteries martiennes de première classe ont mis à jour le système d’alimentation en énergie pour l’exploration de Mars. (a) Illustration schématique du positionnement et du principe de fonctionnement du système d’alimentation en énergie pour l’exploration de Mars. Comparaison des performances entre les batteries Mars et les batteries Li-CO2. (b) Courbes capacité-tension à 100 mA g-1. (c) Courbes CV à une vitesse de balayage de 0,1 mV s-1. (d) Performance multidimensionnelle. Avantages des performances des piles Mars. (e) Diagrammes de Ragone pour les densités d’énergie spécifique (Wh kg-1) et volumétrique (Wh L-1) au niveau des cellules avec des batteries commerciales représentatives et des batteries rapportées, et les départs représentent les valeurs minimales, moyennes et maximales à 0, 25 et 60 °C, respectivement. (f) Durée de vie extrêmement longue à basse température de 0 °C avec 500 mAh g-1 (profondeur de décharge/charge d’environ 20 %) par cycle à 100 mA g-1, et l’encadré montre les quatre derniers temps de la courbe de cyclage et des photographies des deux côtés de l’anode Li après le cycle.

Article : « A high-energy-density and long-cycling-lifespan Mars battery » – DOI: 10.1016/j.scib.2024.06.033

Tags: atmospherebatterieexplorationmars
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