24.03.2021
Unser heutiger Gesprächsgast ist Doktorandin Linda Bolay. Sie ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und am Helmholtz-Institut in Ulm (HIU). Ihr Forschungsschwerpunkt ist Computergestützte Elektrochemie.
[gekürzte Fassung des Podcasts]
Frau Bolay, wir möchten uns heute mit Ihnen über Satelliten-Batterien unterhalten. Vielen ist ja gar nicht bewusst, dass auch Batterien im Weltall zum Einsatz kommen. Was ist der große Unterschied zwischen Batterien im Weltall und denen, die wir hier auf der Erde nutzen?
Linda Bolay: Der größte Unterschied sind die Temperaturen, denen die Batterien ausgesetzt sind. Das können sehr hohe Temperaturen sein, weit über 100 Grad Celsius, aber auch sehr tiefe Temperaturen. Diese gehen auch bis weit in den Minusbereich, was sehr problematisch ist. Speziell für Batterien, die flüssige Elektrolyte haben, ist das schwierig, weil diese einfrieren können.
Sind diese Batterien im Weltall speziell geschützt? Müssen sie gekühlt oder erwärmt werden?
Linda Bolay: Die Batterien werden üblicherweise auf einer stabilen Temperatur gehalten. Zum Beispiel auf 20 Grad Celsius. Wenn wir jetzt von Batterien in einem Satelliten sprechen, sind diese – je nachdem, auf welcher Seite von der Erde sie sich befinden – entweder der Sonne ausgesetzt oder im Schatten. Das heißt, wir haben einmal sehr hohe Umgebungstemperaturen und einmal sehr niedrige.
Also muss man die Batterien einerseits aufwärmen: Das könnte man zum Beispiel mit den Bord-Verbrauchern machen. Diese sind in den Satelliten verbaut und produzieren Wärme. Es ist auch vorstellbar, die Batterien durch radioaktive Strahlung zu erwärmen.
Wenn sie dagegen der Sonne ausgesetzt sind, müssen die Batterien gekühlt werden. Das ist durch passive Kühlung möglich, indem die Temperatur in den Weltraum abgestrahlt wird. Es ist also auf jeden Fall relevant, wie die Batterie im Satelliten verbaut ist.
Gibt es andere essenzielle Anforderungen an Batterien im Weltall?
Linda Bolay: Die wichtigste Anforderung ist, dass sie sehr zuverlässig sein müssen. Denn man kann diese Batterie nicht auswechseln, wenn mal irgendetwas nicht funktionieren sollte.
Wenn beispielsweise in einem Auto die Batterie nicht wie erhofft funktioniert, dann kann sie ohne weiteres ausgewechselt werden. Aber an einen Satelliten im All kommt man nicht mehr heran. Wenn die Batterie dann nicht funktioniert, kann es sein, dass die ganze Mission abgeblasen werden muss. Und das kostet Millionenbeträge.
Was ist das Ziel Ihrer Forschung?
Linda Bolay: Meine Forschung hat das Ziel, vorherzusagen, wie sich die Batterie über einen langen Zeitraum verhalten wird. In einer Batterie finden Prozesse statt, die zur Alterung der Batterie führen. Zum Beispiel wird die Kapazität geringer. Wir wollen vorhersagen, wie die Alterung der Batterie ablaufen wird, wenn die Batterie in einer bestimmten Form oder Mission eingesetzt wird.
Wie wird denn die Batterie in Ihrem Forschungssatelliten verwendet?
Linda Bolay: In meinem Forschungsprojekt geht es um einen Satelliten, der von der japanischen Raumfahrtbehörde „JAXA“ betrieben wird. Dieser Satellit wurde 2005 in die Erdumlaufbahn geschossen – und seither umkreist er die Erde. 2005 war das bei Satelliten noch nicht üblich, dass Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Zu der Zeit war das eine neue Technologie – und das ist einer der Forschungsaspekte dieses Satelliten.
Der Satellit umkreist circa 15-mal am Tag die Erde. Das heißt 15-mal am Tag ist der Satellit der Sonne und 15-mal am Tag dem Schatten ausgesetzt. Er ist ca. 65 Minuten lang in der Sonne und 35 Minuten lang im Schatten. Während er in der Sonne ist, werden die Batteriezellen über die Solarpanele geladen und in den 35 Minuten im Schatten werden die Batterien wieder entladen.
Welche Zell-Chemie kommt bei Satellitenbatterien eigentlich zum Einsatz? Ist diese grundsätzlich vergleichbar mit einer Batterie im Auto?
Linda Bolay: Das sind ganz normale Lithium-Ionen-Batterien, die auch auf der Erde eingesetzt werden.
Was treiben die Satelliten-Batterien bei Ihrem Projekt genau an? Wofür wird die Batterie im Satelliten genutzt?
Linda Bolay: Ein Forschungsaspekt sind zum Beispiel die Polarlichter. Das heißt, an Bord von diesem Satelliten ist eine Kamera, die die Polarlichter aufzeichnet und das ist der Hauptverbraucher in diesem Satelliten.
Wie stark ist die Kapazität der Batterie an dem Satelliten? Wie groß ist der eigentlich?
Linda Bolay: Der Satellit wiegt 70 Kilo und ist ca. 70*60*60 Zentimeter groß. In dem Satelliten sind zwei Batterien verbaut. Jede davon hat eine Kapazität von ca. 20 Ampere Stunden.
20 Ampere Stunden – das ist ungefähr eine gute Powerbank.
Linda Bolay: Ja, so ungefähr. Bevor diese Batterien in Satelliten eingesetzt werden können, müssen eine ganze Reihe von Tests gemacht werden.
Satellitenbatterien werden normalerweise vor dem Raketenstart auf der Erde auf Herz und Nieren getestet. Um welche Parameter geht es da genau?
Linda Bolay: Um Radioaktivität und extreme Temperaturen. Es werden auch Tests im Vakuum gemacht, weil die Batterie sich im All im Vakuum befindet. Es ist auch sehr wichtig, dass die Batterie großen Erschütterungen standhält. Diese kommen beim Raketenstart vor. Dafür gibt es eine Rüttel-Vorrichtung, in die die Batterie eingesetzt wird.
Natürlich muss aber auch getestet werden, dass die Batterie über die gesamte Zeit der Mission gut funktioniert. Stellen wir uns vor, eine Mission ist für zwei Jahre angesetzt… das bedeutet, die Batterie muss auch zwei Jahre lang getestet werden. Unter den Bedingungen, denen sie während der Mission ausgesetzt wäre.
Das ist ein enormer Zeitaufwand, der aber nötig ist, bevor die Batterie eingesetzt werden kann.
Ein Ziel Ihres Forschungsprojekts ist die Beschleunigung dieser Tests. Im Prinzip versuchen Sie sich an Vorhersagen dieser Lade- und Entlade-Zyklen. Könnten Sie genau erklären, wie Sie das machen wollen.
Linda Bolay: Wir wollen, dass es nicht mehr nötig ist, so umfangreiche und zeitaufwendige Tests zu machen. Optimalerweise müsste man am Anfang der Mission nur noch ein paar Tests machen. Diese liefern die Daten, die ich für mein Modell brauche. Das Modell macht dann eine Vorhersage, wie die Batterie über die Dauer der Mission altern wird. Auf diese Weise können auch neuere Batterietechnologien verwendet werden. Ohne das Modell muss man sich auf alte Batterien berufen, über die schon viele Erfahrungen gesammelt wurden. Wenn man die Testphase verkürzen könnte, könnte man neuere Technologien in Satelliten verwenden.
Ist ein zentrales Ziel Ihrer Simulation, die bestmögliche Nutzung der Batterie herauszufinden? Oder gar den Bau der Batterie zu optimieren?
Linda Bolay: In meinem Forschungsprojekt wollen wir die Benutzung optimieren, wobei natürlich beides möglich ist. In unserer gesamten Arbeitsgruppe am HIU (Helmholtz-Institut Ulm) werden verschiedene Modelle entwickelt für verschiedene Batterie-Typen. In meinem Fall ist das Ziel, die Nutzung der Batterie zu optimieren. Das Modell kann dann vorhersagen, wie die Alterung von der Batterie sein wird und wie die Kapazität abnehmen wird.
Wenn an der Mission noch einmal was verändert wird, dann könnte sich auch der Stromverbrauch ändern. Dann möchte man eine Vorhersage treffen, ob die Batterie den Anforderungen standhält und wie sie unter den neuen Bedingungen altern wird.
Sie sind Mathematikerin und entwickeln selbst an einem Modell. Haben Sie auch Experimentatoren im Team?
Linda Bolay: In unserer Arbeitsgruppe arbeiten wir alle mit Modellen. Der Großteil unserer Arbeitsgruppe sind Physiker, die diese Modelle entwickeln. Wir machen das alle auf theoretischer Ebene und arbeiten mit Experimentatoren zusammen.
Sie bekommen ihre Daten von dem japanischen Forschungssatelliten. Was sind das konkret für Daten?
Linda Bolay: Die Daten, die der Satellit liefert, sind die Spannung, der Strom und die Temperatur von den Batterien.
Vielleicht können Sie noch kurz sagen, wie lange die Entwicklung Ihres Modells gedauert hat?
Linda Bolay: Das Modell selbst geht zurück bis in die 90er Jahre. Da wurde mit der Entwicklung angefangen, von einem Herrn namens John Newman. Darauf basiert alle weitere Arbeit. Einige Doktoranden arbeiten an Modellen, die darauf basieren.
Können Sie sich vorstellen, dass Ihr Modell nicht nur für Satellitenbatterien interessant ist, sondern auch für andere Industrieunternehmen? Gibt es Kooperationen oder Projekte fernab von Satellitenbatterien?
Linda Bolay: Ja, definitiv. In unserer Arbeitsgruppe arbeiten wir an einem Simulationstool namens BEST. Damit werden Prozesse in der Batterie in 3D simuliert. Diesbezüglich haben wir Kooperationen mit der Industrie, der Automobilindustrie und der chemischen Industrie. Die Unternehmen sind daran interessiert, dieses Simulationstool zu verwenden, um ihre Zellen zu optimieren.
Vielen Dank für das Gespräch, Frau Bolay.
Über Geladen – der Batteriepodcast
Patrick Rosen und Daniel Messling sprechen mit Batterieforscher*innen über Elektromobilität und Energiewende. Der Podcast wird produziert vom Helmholtz-Institut Ulm (HIU), dem Exzellenzcluster POLiS, CELEST und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT).
