Tra la fine degli anni '90 e il 2012 ogni anno venivano lanciati circa 10 piccoli satelliti; la previsione per i prossimi sei anni è di oltre 3 000. Il settore spaziale europeo ha la possibilità di conquistare una posizione di primo piano a livello mondiale, aiutato dal giusto sistema di accumulo di energia.

Il settore dei piccoli satelliti (nanosatelliti) è in crescita, guidato da una maggiore miniaturizzazione, standardizzazione e riduzione dei costi. Però, fondamentale per il suo successo, nell'offrire prestazioni elevate per un'ampia gamma di applicazioni, è l'accumulo di energia efficiente e affidabile.

Il progetto MONBASA, finanziato dall'UE, si è proposto di sviluppare una soluzione per lo stoccaggio dell'energia; conforme agli standard e alle normative vigenti, affidabile, ad alta efficienza energetica, pur rimanendo leggero e compatto. I ricercatori hanno progettato nuovi componenti a film sottile, cruciale per la prossima generazione di batterie ricaricabili agli ioni di litio allo stato solido ad alta tensione.

Garantire standard di sicurezza, robustezza, densita 'energia, compatibilità con il vuoto, resistenza alle radiazioni e finestra della temperatura di esercizio, rende le batterie ideali per applicazioni spaziali, così come altri come Internet of Things (IoT).

Superando l'attuale stato di avanzamento

Mentre i nanosatelliti sono diventati molto popolari, con il numero di sviluppatori e progetti in continua crescita, Il punto di partenza di MONBASA era che soluzioni innovative per lo stoccaggio dell'energia avrebbero potuto dare ulteriore impulso al settore.

Il team ha prima sviluppato una batteria a stato solido basata su una coppia di elettrodi ad alta tensione ed elettroliti solidi ceramici, con conducibilità ioniche molto superiori agli elettroliti solidi commerciali. Poiché l'integrazione dell'elettrolita solido deve essere ottenuta per la realizzazione di una cella piena funzionale, ottenere il giusto contatto tra catodo ed elettrolita, era critico. Per analizzare completamente le proprietà fisiche e chimiche delle interfacce della batteria, sono stati impiegati gli strumenti di analisi più avanzati.

Il passo successivo è stato quello di studiare l'integrazione della batteria con sensori satellitari all'avanguardia come i sistemi microelettromeccanici (MEMS), una tecnologia cruciale per sensori e attuatori nei satelliti avanzati. La soluzione è stata testata e convalidata in condizioni simili allo spazio.

"Abbiamo adottato metodi di lavorazione dall'industria microelettronica e tecnologica del vetro, compatibili con la fabbricazione di nanosatelliti. Questi sono stati fondamentali per ottenere componenti di batterie agli ioni di litio a film sottile di alta qualità che hanno prestazioni superiori ai componenti commerciali attuali, " spiega il coordinatore del progetto, il dott. Miguel Ángel Muñoz.

MONBASA ha dimostrato che gli elettrodi a film sottile testati contro gli elettroliti liquidi commerciali possono avere una durata di un ordine di grandezza superiore rispetto agli elettrodi commerciali convenzionali. In pratica ciò significa che le attuali celle agli ioni di litio potrebbero essere aumentate semplicemente cambiando gli elettrodi.

Teoricamente l'elettrolita liquido non dovrebbe essere stabile alle alte tensioni erogate dal catodo MONBASA. Però, la cella a film sottile ha mantenuto più dell'80 % della sua capacità iniziale per più di 2 000 cicli, ad alte velocità di corrente e dopo aver integrato l'elettrolita solido, stabile alle alte tensioni, le prestazioni della cella saranno ancora più elevate.

Il progetto ha anche scoperto che il metodo di elaborazione MONBASA per l'elettrodo negativo, testato contro un elettrolita solido di riferimento commerciale a soli 45 °C, corrispondeva alle prestazioni delle celle convenzionali operanti a 70 °C.

Come riassume il dottor Muñoz, "Le batterie a stato solido MONBASA hanno il potenziale per superare le sfide che il settore spaziale deve attualmente affrontare con le batterie agli ioni di litio disponibili in commercio". Elabora:"I componenti della batteria più duraturi si tradurranno in meno guasti e quindi in una maggiore durata dei satelliti. Batterie ad alta tensione a film sottile di dimensioni più piccole consentiranno satelliti più piccoli, riducendo i rischi di collisione. E una finestra di temperatura più ampia, migliorerà la sicurezza e le prestazioni in condizioni estreme."

Garantire ed espandere i servizi critici

Nella sua Strategia spaziale per l'Europa, la Commissione europea ha sottolineato l'importanza di dati e tecnologie spaziali innovativi, per i servizi indispensabili nella vita quotidiana dei cittadini europei. I piccoli satelliti sono particolarmente utili per nuove applicazioni in quanto sono relativamente economici da costruire e lanciare, offrendo opportunità all'interno di una gamma di mercati target, come le telecomunicazioni, agricoltura, trasporti e ambiente.

Questi servizi aiutano a proteggere e gestire le infrastrutture critiche, rafforzare la competitività economica, gestire le risorse per una popolazione in crescita e affrontare le pressioni del cambiamento climatico. "Oltre i satelliti spaziali, i risultati del progetto sono di interesse per altre applicazioni come l'alimentazione di sensori autonomi per IoT e dispositivi indossabili come il monitoraggio della salute."

Ma il dottor Muñoz fa notare, "Gli sforzi futuri dovranno essere concentrati sull'ottimizzazione delle interfacce che consentano l'integrazione di un catodo a film sottile con un elettrolita a film sottile. In parallelo, dovrebbe essere data la priorità alla fabbricazione di componenti di upscaling."