باتری ماه نورد در دمای بسیار پایین و بالا چگونه کار می‌کند؟

در این مقاله به بررسی عملکرد باتری ماه نوردها در دماهای بسیار بالا و پایین خواهیم پرداخت.

زمانی که خودروسازان محصول جدیدی را توسعه می‌دهد تست‌های بسیار متنوعی روی آن‌ها انجام می‌شود تا در بدترین شرایط آب و هوایی نیز دوام بیاورند. برای مثال رولزرویس اسپکتر برقی در دماهای منفی ۴۰ تا مثبت ۵۰ درجه سانتی‌گراد تست شده تا مهندسان این برند بتوانند شعاع حرکتی اسپکتر در چنین شرایطی را تخمین بزنند. این دماهای بسیار پایین و بالا برای تست دوام خودروهای برقی بسیار مهم هستند چراکه باتری‌ها در دماهای پایین یا بالا راندمان خود را از دست می‌دهند.

اما وضعیت زمین و ماه با یکدیگر بسیار فرق می‌کند. در واقع دمای ماه در طول روز به ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد رسیده و در شب به منفی ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. با این تفاسیر ناسا چگونه توانسته در دهه ۷۰ میلادی یک ماه نورد برقی را برای کارکرد صحیح در چنین شرایطی بسازد؟ اگرچه توسعه یک وسیله نقلیه مناسب حرکت در ماه از همان شروع برنامه آپولو آغاز شده اما اولین ماه نورد که با نام LRV شناخته می‌شود تا زمان چهارمین فرود انسانی روی ماه در سال ۱۹۷۱ تولید نشد. هدف نهایی برای LRV ساده بود: افزایش محدوده بررسی سطح ماه و کمک به حمل صخره‌ها به داخل فرودگر. البته این پرواز فضایی با چالش‌های زیادی روبرو بود. برای کاهش حداکثری وزن LRV می‌بایست از ساختار بسیار مدرن و پیشرفته‌ای استفاده می‌شد. به‌کارگیری آلومینیوم و تیتانیوم باعث شد وزن این ماه نورد به ۲۰۹ کیلوگرم برسد که تقریباً نصف وزن یک خودروی مسابقات گلف است. علیرغم این موضوع، وزن محموله قابل‌حمل LRV به بیش از ۴۵۰ کیلوگرم می‌رسید.

این وسیله پیشرفته از قابلیت تاشوندگی برای حمل ماژول فرودگر سود می‌برد. چرخ‌های فولادی ماه نورد ناسا نیز می‌توانست تغییر شکل داده و به گونه‌ای حرکت کند که با صخره‌های بزرگ برخوردی نداشته باشد. مهندسان ناسا همچنین برای وجود حداکثر کشش و مانور پذیری از سیستم چهار چرخ محرک مستقل و فرمان پذیری تمام چرخ‌ها استفاده کردند. از آنجایی که LRV در میدان گرانشی ماه فقط ۳۴ کیلوگرم وزن داشت بنابراین ناسا از کم‌توان‌ترین قوای محرکه ممکن استفاده کرد. به همین خاطر LRV در مجموع ۱ اسب بخار قدرت داشت. این قدرت از طریق چهار موتور DC تولید می‌شد.

هر موتور برای بهبود گشتاور و پاسخ از نسبت دنده ۸۰ به ۱ استفاده می‌کرد. به منظور جلوگیری از ورود گردوغبار به بخش‌های داخلی و خرابی قطعات نیز از روکش‌هایی با فشار داخلی مناسب استفاده شد. حداکثر سرعت رسمی ماه نورد ناسا به ۱۲.۸ کیلومتر در ساعت می‌رسید هرچند در پروژه آپولو ۱۷ و فورد یوجین کرنان روی ماه رکورد سرعت ۱۷.۷ کیلومتر در ساعت را ثبت کرد. بودجه اولیه توسعه این ماه نورد تنها ۱۹ میلیون دلار بود اما در نهایت هزینه‌ها به ۳۸ میلیون دلار رسید و LRV را به بدترین وسیله با نسبت دلار به اسب بخار در تاریخ بدل کرد! به خاطر اینکه ماه نورد موردبحث قدرت بسیار کمی داشت بنابراین به باتری جمع‌وجور و سبکی احتیاج پیدا کرد و خبری از باتری بزرگ با ظرفیت بالا نبود. از آنجایی که قرار بود LRV ماشین یک‌بارمصرف باشد (هر سه ماه نورد ارسال شده به ماه هنوز روی آن باقی مانده‌اند)، باتری‌ها نیز نیازی به قابلیت شارژ مجدد نداشتند. به همین خاطر یک جفت باتری نقره روی ۴.۱ کیلووات ساعتی بکار گرفته شد که با باتری‌های بزرگ خودروهای امروزی فرسنگ‌ها فاصله داشت.

باتری‌های نقره روی قابلیت شارژ مجدد بسیار کمی دارند و پس از ۱۰ تا ۵۰ بار شارژ مجدد خاصیت خود را از دست می‌دهند. البته این باتری‌ها بیشترین تراکم انرژی را تا قبل از توسعه نمونه‌های لیتیومی داشته‌اند که حدود ۲۲۰ وات‌ساعت در هر کیلوگرم بوده است. البته باید دانست این نسبت در باتری‌های لیتیوم یون مدرن به ۲۷۰ وات‌ساعت در هر کیلوگرم می‌رسد؛ اما برای کاربری‌های یک‌بارمصرف، باتری‌های نقره روی دهه ۷۰ میلادی غیر قابل رقابت بوده‌اند. به همین خاطر نقره روی به عنوان استاندارد طلایی باتری‌های هوافضای آمریکا و شوروی شناخته شد.

شعاع حرکتی قابل استفاده یک جفت باتری نقره روی یاد شده در شرایط عادی حدود ۹۲ کیلومتر بود. یکی از این باتری‌ها برای حرکت چرخ‌های جلو و دیگری برای چرخ‌های عقب بکار می‌رفت. طراحی باتری‌ها به گونه‌ای بود که در صورت از کار افتادن یکی، باتری دوم بتواند همچنان ماه نورد را به پیش ببرد. این امر شعاع حرکتی قابل استفاده کلی LRV را کاهش داد. مدیران ناسا همچنین به فضانوردان اجازه نمی‌دادند با ماه نورد یاد شده بیشتر از مسافتی که می‌توانستند راه بروند حرکت کنند. همین موضوع شعاع عملیاتی LRV را به حدود ۹ کیلومتر کاهش داد. البته در پروژه آپولو ۱۷ فضانوردان در سه روز حدود ۳۵ کیلومتر را با این ماه نورد پوشش دادند. چارلز دوک فضانورد ناسا در مصاحبه با رسانه‌ها به مأموریت آپولو ۱۶ اشاره کرده است که علیرغم حرکت بیش از ۲۴ کیلومتری LRV هیچ نشانه‌ای از تمام شدن قدرت آن وجود نداشته است.

اما کنترل دماهای غیرمنتظره یک چالش بزرگ بوده است. باتری‌های نقره روی در دمای پایین عملکرد ضعیفی دارند اما LRV قرار بود فقط در بازه ۱۵ روز زمین بکار گرفته شود که همین باعث می‌شد داغ شدن باتری‌ها یک نگرانی اصلی بود. همان‌طور که گفته شد دمای سطح ماه می‌تواند در طول روز به بیش از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد اما از آنجایی که در ماه اتمسفری وجود ندارد اما دمای آن بسیار متغیر است و به‌صورت مستقیم با میزان تابش آفتاب تعیین می‌شود. حداکثر دمای عملیاتی باتری ماه نورد ناسا ۵۲ درجه سانتی‌گراد و حداکثر دمای قابل‌تحمل برای آن ۶۰ درجه سانتی‌گراد بوده است و درصورتی‌که LRV کمی بیش از حد زیر نور آفتاب باقی می‌ماند سریعاً دمای سطحش بالا می‌رفت.

البته این مشکل به راحتی حل شد چراکه LRV به‌صورت تاشو و تخت در بخش بیرونی فرودگر قرار گرفت. فرودگر در زمان نزدیک شدن به ماه به آرامی می‌چرخید و نهایتاً نور خورشید را به دو سمت خود هدایت می‌کرد تا به این ترتیب دما قابل مدیریت باشد؛ اما در سطح ماه نمی‌توان از تابش خورشید پنهان شد و باتری‌ها سریعاً به محدودیت حداکثر دمای قابل‌تحمل خود می‌رسند. برای حل این موضوع هر دو باتری به رادیاتورهای غیرفعال مجهز شدند. بجای استفاده از سیستم خنک کاری مایع فعال و سنتی، مهندسان ناسا از آینه‌های ویژه‌ای برای بازتاب حداکثری نور استفاده کردند. زمانی که LRV در حال حرکت بود آینه‌ها با سپری خاص پوشانده می‌شدند تا خاک ماه روی آن‌ها را نپوشاند و توانایی انعکاس و بازتاب نور کاهش نیابد.

این راه‌حل تا حدی جواب داد. در مأموریت آپولو ۱۵، سفرهای کوتاه و زاویه کم تابش خورشید باعث شد باتری‌ها دمای عادی داشته باشند اما در مأموریت آپولو ۱۶ محل فرود دمای بالاتری داشت و یک حادثه اولیه باعث شد LRV گلگیر خود را از دست بدهد. همچنین گردوغبار زمان حرکت روی همه بخش‌های LRV از جمله آینه‌ها می‌نشست. باتری‌ها حتی پس از برداشتن سپرهای حرارتی و پاک شدن آینه‌ها نیز به اندازه کافی خنک نشدند زیرا خاک ماه به خوبی گرما را حفظ می‌کرد. شاید پارک کردن ماه نورد در سایه باعث کاهش دمای باتری‌ها می‌شد اما اگر LRV بیش از حد در سایه باقی می‌ماند دمای بسیار پایین می‌توانست سایر قطعات برقی را از کار بیندازد.

ناسا به فضانوردان دستور داد برای تأمین برق از یک باتری به باتری دیگر سوئیچ کنند و تلاش داشته باشند هر باتری را مدت طولانی‌تری خنک نمایند. علیرغم این روش، در آخرین روز سفر آپولو ۱۶ به ماه، باتری‌های LRV از حداکثر دمای قابل‌تحمل عبور کردند و در پایان مأموریت به دمای ۶۲ درجه سانتی‌گراد رسیدند. جالب اینکه باتری‌ها علیرغم وجود چنین دمایی از کار نیفتادند. در آپولو ۱۷ کنترل دقیق گردوغبار و پارک LRV در محل‌های مناسب باعث شد دمای باتری‌ها در محدوده قابل قبولی باشد.

اگرچه ناسا با پروژه آرتمیس به دنبال بازگشت انسان به ماه است اما خبری رسمی درباره وسیله نقلیه مدنظر برای این کار منتشر نشده هرچند گزینه‌های زیادی وجود دارند که یکی از آن‌ها پروژه مشترک ماه نورد جنرال موتورز و لاکهید با ساختار اولتیوم است. اگرچه آینده اولتیوم هنوز مشخص نیست اما به احتمال زیاد ماه نورد بعدی از باتری‌های لیتیوم یون مشابه خودروهای برقی استفاده خواهد کرد و استراتژی‌های مدیریت دمای مشابهی بکار گرفته خواهد شد. همچنین احتمال دارد این ماه نورد جدید از توانایی‌های کنترل از راه دور برخوردار باشد؛ اما یک‌چیز وجود دارد که همچنان مهندسان را به چالش می‌کشد: گردوغبار خاک ماه! گردوغبار هرگز تغییر نمی‌کند…