Производство батарей NaS

TL;DR

  • Назначение: Энергоснабжение роботов Gen-2
  • Технология: Натрий-Серный аккумулятор (NaS)
  • Локализация: 85% местное (Na + S), 15% импорт (β-Al₂O₃ керамика)
  • Производительность: 500 кВтч/день (пакеты различных размеров)

Обзор

Роботы Gen-2 работают на натрий-серных батареях (NaS Battery). В отличие от Li-Ion батарей Gen-1 (с Земли), NaS батареи производятся из местных материалов — натрия и серы, добытых из реголита.

Ключевое преимущество: Высокая рабочая температура (+300°C) совместима с Меркурием: в терминаторной зоне (+50…+150°C) вакуумная термоизоляция и встроенный подогреватель (~50 Вт) легко поддерживают 300°C — энергозатраты ниже, чем у земных аналогов (NGK Insulators).

Принцип работы NaS-батареи

Конструкция

Компонент Материал Источник
Анод Жидкий натрий (Na) Дистилляция
Катод Жидкая сера (S) Линия титана
Электролит β-Al₂O₃ (бета-глинозём) Импорт с Земли (первое время)
Корпус Сталь Fe-6%Mn Железо

Химическая реакция

Разряд:

2Na + 5S → Na₂S₅

Заряд:

Na₂S₅ → 2Na + 5S

Электролит β-Al₂O₃ проводит ионы Na⁺, но непроницаем для жидких металлов.

Характеристики NaS-батарей

Параметр Значение
Удельная энергия 150-240 Втч/кг
Рабочая температура 300-350°C
Срок службы 15 лет / 4500 циклов
КПД 85-90%
Напряжение 2.0 В на ячейку

Сравнение с Li-Ion:

Параметр NaS Li-Ion
Удельная энергия 150-240 Втч/кг 150-250 Втч/кг
Срок службы 4500 циклов 500-1000 циклов
Локализация на Меркурии 85% 0% (весь импорт)

Вывод: NaS проигрывает Li-Ion по удельной энергии, но выигрывает по сроку службы и локализации.

Тепловой режим NaS батареи

NaS батарея работает при 300-350°C. На полюсе Меркурия (кратер Прокофьева, 85°N) амбиентная температура рабочей зоны составляет +50…+150°C — значительно теплее, чем на Земле (-20…+40°C), где NaS батареи успешно эксплуатируются (NGK Insulators, Япония, 700+ МВтч установленной мощности).

Конструкция термоизоляции

Компонент Описание
Наружный корпус Сталь Fe-6%Mn
Вакуумный зазор Двустенная конструкция (аналог термоса)
Внутренний корпус Сталь + β-Al₂O₃ электролит
Подогреватель Резистивный, 50-100 Вт, внутри корпуса

Тепловой баланс

Режим Амбиент ΔT Теплопотери Подогрев Автономия батареи
Работа (разряд) +100°C 200°C ~30 Вт Не нужен (саморазогрев) ∞
Ожидание +50°C 250°C ~50 Вт 50 Вт (встроенный) Краб: 400 ч, Кентавр: 100 ч
Земля (справка) -20°C 320°C ~100 Вт 100 Вт —

Саморазогрев при разряде: Внутреннее сопротивление NaS ячейки генерирует тепло. При нагрузке 5-10 кВт потери составляют 0.5-1.5 кВт тепла — батарея поддерживает рабочую температуру без подогревателя.

Режим ожидания: Подогреватель 50 Вт потребляет ~1.2 кВтч/день. Для Краб-М (20 кВтч) это обеспечивает >16 дней автономного ожидания; для Кентавр-М (5 кВтч) — >4 дней.

Аварийное остывание: Если батарея полностью остынет (потеря энергии), Na и S затвердевают без повреждения ячейки. Повторный пуск: внешний подогрев от кабеля (~1 кВт, ~2 часа). Роботы НЕ работают в тени (-180°C) — штатная рабочая зона +50…+150°C.

Состав батареи (1 кВтч)

Производство NaS батарей

Процесс

Этап Описание Оборудование
1. Изготовление корпуса Стальная труба Ø50 мм, длина 1 м Токарный станок
2. Установка электролита Керамическая трубка β-Al₂O₃ внутри корпуса Ручная сборка (Кентавр-М)
3. Заливка Na и S Натрий в центр, сера снаружи Вакуумная заливка
4. Герметизация Лазерная сварка крышек Лазерная сварка
5. Первая зарядка Активация электролита (12 часов при 350°C) Зарядная станция
6. Тестирование 10 циклов заряд/разряд Автоматика

Время производства: 24 часа на 1 батарею (с учётом первой зарядки)

Параллельность: 24 часа на 1 батарею, но 10 параллельных линий позволяют выпускать 10 батарей/день. Каждая линия начинает новую батарею ежедневно.

Производительность линии

Производительность: ~500 кВтч/день (пакеты различных размеров) = 500 кВтч/день

На 5 роботов/день:

Тип робота Ёмкость батареи Батарей на робота
Крот-М Кабель (без батареи) 0
Краб-М 20 кВтч 1
Кентавр-М 5 кВтч 1

Средний микс: ~2 пакета 20 кВтч (Краб) + ~2 пакета 5 кВтч (Кентавр) ≈ 50 кВтч/день для роботов. Остальное (450 кВтч/день): запас, замена, стационарное хранение энергии.

Материальный баланс

На 500 кВтч/день (суточное потребление материалов):

Материал Масса на 10 батарей Источник
Натрий (Na) 250 кг Дистилляция
Сера (S) 250 кг Линия титана
Керамика β-Al₂O₃ 100 кг Импорт с Земли
Сталь (корпус) 60 кг Железо
ИТОГО ~660 кг ~85% местное

Потребление из дневного производства: - Na: 250 кг из 1000 кг/день = 25% - S: 250 кг из 500 кг/день = 50% - Fe: 60 кг из 18 т/день = 0.3%

Обслуживание батарей

Операция Периодичность Исполнитель
Контроль температуры Постоянно Автоматика
Калибровка (заряд/разряд) 1 месяц Автоматика
Замена батареи 5-7 лет Кентавр-М на сборочном стапеле

Утилизация: - Натрий и сера извлекаются → повторное использование - Керамика β-Al₂O₃ → регенерация (если возможно) - Стальной корпус → переплавка

Энергопотребление производства

Компонент Мощность
Вакуумная заливка 20 кВт
Зарядная станция (12 часов) 30 кВт
Тестирование 10 кВт
ИТОГО ~60 кВт

Контроль качества

Параметр Метод Норма Действие при отклонении
Герметичность Вакуумный тест <10⁻⁶ мбар·л/с Отбраковка
Ёмкость Тест заряда >90% номинала Повторная активация
Температура Термопары 300-350°C Регулировка подогрева
Циклы 10 тестовых циклов Ёмкость >95% Отбраковка

Будущая локализация β-Al₂O₃

Проблема: Керамика β-Al₂O₃ импортируется с Земли (15% массы батареи).

Решение: Производство β-глинозёма на Меркурии:

Этап Процесс
1. Получение Al₂O₃ Из реголита (боксит Аl₂O₃ · 2H₂O → прокаливание)
2. Стабилизация β-фазы Добавка Na₂O (0.5-1%) + спекание при 1600°C (солнечный концентратор, 1500-2000°C)
3. Керамизация Формовка трубок + спекание

Время внедрения: После строительства высокотемпературных печей (Год 2-3)

См. также