DABEL5“אחסון אנרגיה זה כמובן ליתיום-יון, לא?”
מודול דייסון אוסף חום שמש באמצעות מראות כדי להפעיל טורבינות. היה נחמד אם השמש הייתה זורחת 24 שעות ביממה 365 ימים בשנה, אבל המציאות שונה.
- ליקוי (eclipse): בסיס EML5 נכנס לצל כדור הארץ והירח 2-3 פעמים בשנה, סך הכל 3-12 שעות
- תנודות עומס: טורבינות מגיבות לאט לשינויים פתאומיים בעומס. ללא ESS המתח מתנדנד עם שינויי ביקוש רגעיים
- עצירת חירום: בתחזוקת מראות או תקלת טורבינות, מערכות קריטיות — תמיכת חיים, AI, תקשורת — לא יכולות לעצור
- כוח תמרון: עגינת גוררות ותמרוני התחמקות דורשים כוח גבוה רגעי
בלי סוללות מודול דייסון לא עובד. אז איזו סוללה?
על כדור הארץ התשובה ברורה: ליתיום-יון. צפיפות אנרגיה, יעילות טעינה ופריקה, קלות משקל — הטוב בכל המדדים. אבל מאותה סיבה שטורבינות ניצחו פאנלים סולאריים במאמר הקודם, בחלל הקריטריונים שונים.
ליתיום-יון דורש החלפה כל 10 שנים, ומכרה הליתיום הקרוב ביותר נמצא על כדור הארץ. ברזל וניקל נמצאים בשפע באסטרואידים.
קריטריונים ארציים מול קריטריונים חלליים
| פריט | ניקל-ברזל (אדיסון) | ליתיום-יון | מה חשוב בחלל |
|---|---|---|---|
| צפיפות אנרגיה נפחית | 30~60 Wh/L | 250~700 Wh/L | בקנה מידה של 1 km² נפח חסר משמעות |
| צפיפות אנרגיה משקלית | 30~50 Wh/kg | 150~270 Wh/kg | מבנה קבוע שלא זז ← לא רלוונטי |
| אורך חיים | 30~50 שנה | 5~15 שנה | עלות החלפה בחלל אסטרונומית |
| עמידות לטעינת יתר | גבוהה מאוד | חלשה (בריחה תרמית ושריפה) | שריפה בוואקום = אובדן מוחלט של המודול |
| עמידות לפריקת יתר | חזקה | נזק בלתי הפיך | אפשרות פריקה מלאה בליקוי |
| זמינות חומרים מקומית | אפשרי (Fe, Ni, KOH) | בלתי אפשרי (Li, Co, אלקטרוליט אורגני) | גורל לולאת השכפול העצמי |
| אלקטרוליט | תמיסת אשלגן הידרוקסיד מימית (מבוסס מים) | ממס אורגני (דליק) | יציבות קרינתית, בטיחות אש |
| פריקה עצמית | גבוהה (~1%/יום) | נמוכה (~0.1%/יום) | חסרת משמעות בסביבת טעינה מתמדת |
מה חשוב על כדור הארץ: קל, קטן, צפיפות אנרגיה גבוהה. מה חשוב בחלל: אפשר לייצר במקום, לא הורג, מחזיק לאורך זמן.
כשהקריטריונים משתנים, התשובה משתנה.
חומרים — אין ליתיום באסטרואידים
כדי לייצר סוללת ליתיום-יון צריך:
| חומר | שימוש | האם קיים באסטרואידים |
|---|---|---|
| ליתיום (Li) | חומר קתודה פעיל | לא — יסוד מסינתזת המפץ הגדול, כמויות זעירות באסטרואידים סלעיים |
| קובלט (Co) | ייצוב קתודה | כמויות זעירות — הפקה כלכלית בלתי אפשרית |
| גרפיט (C) | אנודה | קיים באסטרואידים פחמניים אך לא גרפיט גבישי |
| אלקטרוליט אורגני | הולכת יונים | דורש סינתזה — כימיה אורגנית מורכבת כמו אתילן קרבונט |
| ממברנה (PE/PP) | מניעת קצר | דורשת ייצור — ייצור פולימרי מדויק |
אין ליתיום. זה לבד מספיק כדי לסגור את הדיון. אם צריך אספקה מתמדת מכדור הארץ זה לא שכפול עצמי אלא תלות בקווי אספקה.
“מה עם יוני נתרן?” Na קיים באסטרואידים. אבל אורך חיים של 30-50 שנה לא הוכח, אין פונקציית באטוליזר, ונדרש אלקטרוליט אורגני. בעיית הידרדרות האלקטרוליט האורגני מקרינה קוסמית חלה גם על יוני נתרן.
“לא עומדות לצאת סוללות מוצקות בקרוב?” אם אי אפשר לייצר אותן מאסטרואידים אין טעם גם אם הן מצוינות. המפתח הוא לא צפיפות אנרגיה אלא יכולת ייצור מקומי.
כדי לייצר סוללת ניקל-ברזל צריך:
| חומר | שימוש | מקור |
|---|---|---|
| ברזל (Fe) | אנודה | מרכיב עיקרי של 1986 DA — נמצא בשפע |
| ניקל (Ni) | קתודה | מרכיב עיקרי של 1986 DA — נמצא בשפע |
| אשלגן הידרוקסיד (KOH) | אלקטרוליט | K קיים בסיליקטים של אסטרואידים, מים מופקים מאסטרואידים פחמניים |
| פלדה | מארז | עיבוד סגסוגת Fe-Ni |
כל רכיבי הסוללה הם תוצרי לוואי של תהליך הזיקוק. אפשר לייצר סוללות תוך כדי ייצור מסגרות מראות. אפס יבוא נוסף.
אורך חיים — עלות ההחלפה מכריעה הכל
על כדור הארץ אורך חיים של 10-15 שנה לליתיום-יון מספיק. עלות ההחלפה היא רק מחיר הסוללה.
בחלל עלות ההחלפה כוללת:
- ייצור סוללה חדשה (אם אפשר)
- הובלה (אם לא אפשר לייצר — מכדור הארץ — אלפי דולרים לק"ג)
- עבודת החלפה באמצעות EVA או רובוטים
- השבתת המערכת בזמן ההחלפה
אורך חיי סוללת ניקל-ברזל: 30-50 שנה. יש מקרים בפועל של סוללות ניקל-ברזל שאדיסון ייצר ב-1901 שעדיין עובדות. מספיק לחדש את האלקטרוליט (תמיסת KOH) פעם ב-10-15 שנה והאלקטרודות כמעט נצחיות.
הכימיה הסוללתית היחידה שיכולה להשיג אפס החלפות לאורך כל חיי התכנון של המודול.
בטיחות — שריפה בוואקום פירושה מוות
האלקטרוליט האורגני בסוללות ליתיום-יון דליק. בטעינת יתר, נזק פיזי, או קצר פנימי:
עליית טמפרטורה פנימית → כיווץ ממברנה → הרחבת קצר → פירוק אלקטרוליט
→ שחרור גזים דליקים → הצתה → בריחה תרמית שרשרתית בתאים סמוכים
על כדור הארץ: מגיעה מכבית אש. בחלל: אין מכבית אש בוואקום. שריפה בתוך מודול אטום = אובדן תמיכת חיים + מילוי בגזים רעילים + חילוץ בלתי אפשרי.
גם בתחנת החלל הבינלאומית ISS שריפת ליתיום-יון היא אחד התרחישים המפחידים ביותר. התקנת ליתיום-יון באלפי מודולי דייסון הופכת את השריפה לוודאית סטטיסטית.
הבטיחות המהותית של ניקל-ברזל:
- אלקטרוליט: תמיסה מימית של אשלגן הידרוקסיד — מבוססת מים. לא נדלקת
- בטעינת יתר: מים עוברים אלקטרוליזה ל-H₂ + O₂ — זו לא בריחה תרמית
- בפריקת יתר: אין נזק בלתי הפיך לאלקטרודות — שיקום על ידי טעינה מחדש
- בנזק פיזי: דליפת KOH — חומר מאכל אך ללא פיצוץ או שריפה
“סוללה שלא נדלקת” אינה מותרות בחלל אלא הכרח.
הבאטוליזר — סוללה שגם מבצעת אלקטרוליזת מים
כאן סוללות ניקל-ברזל חורגות מהיותן “אלטרנטיבה” ומקבלות יתרון ייחודי שאין לו תחרות.
העיקרון
קונספט הבאטוליזר (Battolyser) שפותח ב-TU Delft. מנצל באופן אקטיבי את עמידות סוללת ניקל-ברזל לטעינת יתר:
[בזמן טעינה] אנרגיה חשמלית → אחסון אנרגיה כימית באלקטרודות Fe/Ni
[לאחר טעינה מלאה] זרם נוסף → אלקטרוליזה של מים בתמיסת KOH
קתודה: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻
אנודה: 2OH⁻ → ½O₂↑ + H₂O + 2e⁻
מכשיר אחד משמש כסוללה + אלקטרוליזר למים. אין צורך בציוד אלקטרוליזה נפרד. חיסכון במסה, נפח ומורכבות.
בליתיום-יון טעינת יתר = שריפה. בניקל-ברזל טעינת יתר = ייצור מימן.
מחזור הפעלה במודול דייסון
[מצב רגיל] הפעלת טורבינות 370 MW
├→ צריכת עומס (~320 MW)
└→ עודף כוח (~50 MW) → מצב באטוליזר
└→ צבירת H₂ ~890 kg/h + O₂ ~7,100 kg/h (בהנחת יעילות אלקטרוליזה ~70%)
[ליקוי (eclipse)] 3-12 שעות/שנה
├→ פריקת סוללה (מצב ESS)
└→ H₂ שנצבר → ייצור חשמל בתאי דלק (במקביל)
→ אנרגיה זמינה כפולה או יותר מסוללה בלבד
[עצירת חירום]
└→ אחסון כפול H₂/O₂ → הארכת תמיכת חיים
מעבר לאחסון אנרגיה
H₂ ו-O₂ שהבאטוליזר מייצר חורגים מאחסון אנרגיה פשוט ומשתלבים במחזור החומרים המלא של המודול:
| תוצר | שימוש | הערות |
|---|---|---|
| H₂ | מילוי דלק גוררות NTP | נוזל עבודה להנעה תרמו-גרעינית |
| H₂ | חומר מחזר בזיקוק | תחמוצת מתכת → מתכת טהורה (FeO + H₂ → Fe + H₂O) |
| H₂ | ייצור חשמל חירום בתאי דלק | כוח גיבוי בליקוי/תחזוקה |
| H₂ | הבר-בוש → NH₃ → דשן | חקלאות מודול מגורים |
| O₂ | תמיכת חיים (נשימה) | הכרחי למודול מגורים |
| O₂ | מחמצן (ריתוך ורפואה) | תהליכי ייצור מקומיים |
סוללה שמאחסנת אנרגיה ובו-זמנית מייצרת דלק הנעה, חומר מחזר וחמצן לנשימה. ליתיום-יון מאחסן רק חשמל.
“צפיפות אנרגיה של 1/10 זה לא גדול מדי?”
נכון. כדי לאחסן אותה אנרגיה, ניקל-ברזל דורש 5-10 פעמים את הנפח של ליתיום-יון.
אבל:
קנה מידה של מודול דייסון:
מראה: 1 km × 1 km = 1,000,000 m²
מבנה: משתרע מספר קילומטרים מאחורי המראה
נפח כולל: מיליוני m³
קיבולת ESS נדרשת (12 שעות × 370 MW):
4,440 MWh = 4,440,000 kWh
ניקל-ברזל (על בסיס 40 Wh/L):
111,000 m³ = 111 m × 111 m × 9 m
→ פחות מ-1% מכלל המבנה
במיליוני m³ של מבנה מאחורי מראה של 1 km², 111,000 m³ הם פינה קטנה. מעבר לכך, המסה הכבדה של ניקל-ברזל יכולה לשמש כמשקל נגד (counterweight) למבנה המסתובב. החיסרון הופך ליתרון.
וגם פריקה עצמית גבוהה של ~1% ביום היא בעיה רק על פני כדור הארץ. הטורבינות פועלות 24 שעות ביממה 365 ימים בשנה אז הסוללה תמיד בטעינה. פריקה עצמית חסרת משמעות.
“אי אפשר פשוט להגדיל את הספק הטורבינות ולוותר על ESS?” ליקוי ועצירת חירום הם מצבים שבהם הטורבינות נעצרות לגמרי. ייצור ואחסון הם בעיות נפרדות.
עיצוב הסתגלות לסביבה החללית
אי אפשר לקחת סוללת ניקל-ברזל ארצית ישירות לחלל. שלוש התאמות נדרשות.
1. מניעת התאדות אלקטרוליט
תמיסת KOH מימית מאבדת לחות בחשיפה לוואקום. מבנה תא אטום הכרחי. למזלנו, תאי סוללה מתוכננים מלכתחילה כאטומים. הגרסה החללית צריכה רק חיזוק רמת האיטום.
2. הפרדת גז בחוסר כבידה
במצב באטוליזר בועות H₂/O₂ נדבקות לפני שטח האלקטרודות. על כדור הארץ הציפה מפרידה את הבועות, אך בחוסר כבידה זה לא עובד.
הפתרון: ציפוי הידרופובי על פני שטח האלקטרודות + כוח צנטריפוגלי מסיבוב המודול עצמו להפרדת גז. תאוצה צנטריפוגלית של ~0.01G מספיקה להפרדת בועות.
3. עמידות בקרינה
תמיסת KOH מימית יציבה ביותר מול קרינה בניגוד לאלקטרוליט אורגני. קרינה שוברת שרשראות מולקולריות באלקטרוליט אורגני וגורמת להידרדרותו. בתמיסה מימית מתרחש פירוק מים מועט מקרינה אך הוא משוקם באופן טבעי על ידי רקומבינציה. בסביבת קרינה ניקל-ברזל עדיף מהותית על ליתיום-יון.
סיכום בשורה אחת
ליתיום-יון היא הסוללה הטובה ביותר על כדור הארץ. אבל אין ליתיום באסטרואידים, אי אפשר להחליף כל 10 שנים בחלל, ואי אפשר לכבות שריפה בוואקום. סוללת ניקל-ברזל ניתנת לייצור מתוצרי לוואי של זיקוק אסטרואידים, מחזיקה 30-50 שנה ללא החלפה, לא נדלקת, ולאחר טעינה מלאה הופכת לאלקטרוליזר מים שמייצר דלק הנעה וחמצן לנשימה. צפיפות אנרגיה של 1/10 חסרת משמעות בקנה מידה של 1 km².
ליישומים יבשתיים של סוללות ניקל-ברזל, ראו סוללות ניקל-ברזל כ-ESS לא מחובר לרשת.
