Studentka Akademii Górniczo - Hutniczej, Gabriela Bergiel, wysłała w stratosferę stworzone przez siebie urządzenie, badające, jak niska temperatura i ciśnienie wpływają na baterie litowo - jonowe, używane w telefonach komórkowych czy komputerach. Urządzenie wystartowało z Pustyni Błędowskiej i osiągnęło wysokość 28 tysięcy metrów. Zebrane przez nie dane mogą pomóc w rozwoju technologii kosmicznych, transportowych czy wojskowych.
Rekalma:
Akumulatory litowo-jonowe, Li-Ion, od ponad trzydziestu lat zasilają większość używanej przez ludzi elektroniki – od komputerów i smartfonów po drony i samochody elektryczne. Do ich głównych zalet należy wysoka pojemność przy stosunkowo niewielkiej masie. Gabriela Bergiel, studentka Wydziału Elektroniki, Automatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH bada, jak akumulatory radzą sobie w ekstremalnych warunkach, w temperaturach sięgających nawet -60°C i niskim ciśnieniu.
W tym celu stworzyła niewielkie urządzenie, które może być wynoszone przez balony meteorologiczne w stratosferę i zbierać tam dane o stanie baterii. “Regularnie przeprowadzamy różne eksperymenty w stratosferze z wykorzystaniem balonów meteorologicznych. Do zasilania wynoszonej w tym celu aparatury używamy akumulatorów litowo - jonowych, które są pierwszym wyborem w przypadku projektów hobbystycznych i studenckich. Naturalnie więc zadaliśmy sobie pytanie, jak znoszą one pracę w ekstremalnych warunkach” – wyjaśnia Gabriela.
Pierwsza misja balonu stratosferycznego ze zbudowanym przez Gabrielę urządzeniem na pokładzie odbyła się w październiku. Jak informuje uczelnia, statek powietrzny wystartował z Pustyni Błędowskiej i osiągnął pułap 28 tysięcy metrów. Misja pozwoliła sprawdzić działanie aparatu przy niskiej temperaturze i ciśnieniu, a także jego odporność. Oprócz tego zebrano dane na temat wpływu warunków panujących w stratosferze na pojemność baterii. Zebrane dane mogą pomóc w rozwoju technologii kosmicznych, transportowych czy wojskowych. “Po raz kolejny nasza studentka pokazała, że sky isn’t the limit! Ogromnie gratulujemy i trzymamy kciuki za dalsze prace!” - czytamy w mediach społecznościowych AGH.
Gabriela Bergiel prowadzi swoje badania w Studenckim Kole Naukowym “AstroBio”. Jeden z opiekunów koła, dr inż. Mateusz Danioł, wyjaśnia, że baterie litowo - jonowe, które wykorzystywane są w produktach konsumenckich i używane też przez studentów w ich projektach badawczych, są przygotowane do działania w temperaturach od +60 do -20 stopni Celsjusza. ”Tymczasem w stratosferze temperatura może wynosić nawet -60 st. C, w związku z czym muszą one pracować na skraju swojego zakresu roboczego, albo daleko poza nim. W takich warunkach, a do tego przy niskim ciśnieniu panującym na dużych wysokościach, akumulatory ulegają przyspieszonej degradacji. Chcieliśmy poddać to zjawisko obserwacji i analizie”.
Reklama
Do obserwowanych objawów starzenia się baterii, które negatywnie wpływają na ich użyteczność i wydajność, należą spadek pojemności, wzrost wewnętrznego oporu elektrycznego oraz spadek mocy. Bazując na doniesieniach literatury naukowej, zespół postawił kilka hipotez wyjaśniających przyczynę przyspieszonej degradacji. Według pierwszej z nich, spadek ciśnienia atmosferycznego w stratosferze powoduje osłabienie kontaktu pomiędzy cząsteczkami elektrolitu i elektrody. Może to powodować nierównomierny przepływ prądu w obrębie ogniwa, co prowadzi do miejscowych uszkodzeń, które wpływają na zmniejszenie ogólnej wydajności akumulatora.
Drugi czynnik, który potencjalnie powoduje przyspieszoną degradację baterii Li-Ion, również związany jest z pracą w warunkach niskiego ciśnienia. Spada wówczas przewodnictwo cieplne elektrod, zwłaszcza w kierunku poprzecznym do warstw elektrod. Może to mieć krytyczne znaczenie zwłaszcza w sytuacji, kiedy z ogniwa pobierane jest dużo prądu. Wpływa to również na naprężenia mechaniczne, którym elementy ogniwa poddawane są w wyniku dynamicznie zmieniających się warunków atmosferycznych w stratosferze. Może to przyspieszać proces tworzenie się warstwy międzyfazowej w elektrolicie (ang. SEI, solid-electrolyte interphase), co w dalszej kolejności skutkuje wzrostem oporu elektrycznego wewnątrz ogniwa.
Weryfikacja tych hipotez w rzeczywistym poligonie doświadczalnym nie byłaby możliwa przy wykorzystaniu aparatury, która używana jest do badania akumulatorów w warunkach laboratoryjnych.
“Standardowe zestawy do testowania baterii są duże i ciężkie, w związku z czym nie można umieścić ich na pokładzie balonu stratosferycznego. Bezskutecznie szukałam na rynku urządzeń, które mają odpowiednio małe gabaryty i umożliwiają stosowanie różnych profili prądu do testowania baterii. Zaczęłam więc samodzielnie projektować i prototypować taki system” – opowiada Gabriela Bergiel.
Skonstruowane przez studentkę AGH urządzenie pozwala na pomiar prądu wypływającego z ogniwa oraz napięcia na samym ogniwie podczas gdy jest ono rozładowywane impulsami prądu. Stwarza to możliwość badania wewnętrznej rezystancji ogniwa akumulatora przy różnych stanach naładowania oraz krzywej relaksacji napięcia. Porównując pomiary wykonane przed lotem, w trakcie oraz po locie istnieje możliwość określenia wpływu lotu stratosferycznego na moc ogniwa oraz potencjalnie wykrycia pewnych zmian strukturalnych w ogniwie zachodzących podczas lotu. Oprócz tego, aparat rejestruje również temperaturę i ciśnienie atmosferyczne, jak też temperaturę na powierzchni ogniwa.
Reklama
Podczas pierwszego lotu udało się zrealizować dwa cele. Po pierwsze, przetestowano działanie znajdującego się na pokładzie aparatu przy niskiej temperaturze i ciśnieniu, a także jego odporność na uszkodzenia w wyniku wydarzeń będących stałym elementem misji balonów stratosferycznych: rotację w trakcie wznoszenia, pęknięcie powłoki balonu po osiągnięciu wysokości krytycznej, opadania ładunku na spadochronie oraz jego uderzenie w ziemię.
Po drugie, zebrano dane na temat wpływu warunków panujących w stratosferze na pojemność baterii. Badanie polegało na porównaniu procesu rozładowywania ogniwa w normalnych warunkach roboczych, a następnie powtórzenie tego procesu przy zachowaniu tego samego profilu prądu w stratosferze.
“Mam nadzieję, że specjalistyczna wiedza przekazywana w ramach kursu pomoże pasjonatom i pasjonatkom zrzeszonym w kołach naukowych w realizacji ich projektów zgodnie z wzorcami, które są realizowane przez przemysł i profesjonalistów, a także przyczyni się do zwiększenia bezpieczeństwa i trwałości rozwiązań opracowywanych przez studentów i studentki” – deklaruje Gabriela Bergiel.
”Zależy nam na przyznawaniu stypendiów naprawdę wyjątkowym studentom i studentkom. Nie chcemy wręczać ich osobom, które teraz realizują jakiś projekt, ale w przyszłości z technologią baterii nie będą miały nic do czynienia. Przed przyznaniem wsparcia dyskutowaliśmy, co jest celem projektu. Podczas takiej rozmowy od razu można się przekonać, czy interlokutor jest pasjonatem i jak dobrze jest zorientowany w temacie. Gabriela w jej trakcie odhaczyła wiele pól z checklisty kryteriów, które decydują o przyznaniu stypendium” – komentuje dr Frank Richter z firmy Greenectra.
Gabriela Bergiel swoje prace prowadzi w Interdyscyplinarnym Laboratorium Badawczym Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH. Opiekę nad nimi sprawuje zespół laboratorium oraz specjalistów z Katedry Meteorologii i Elektroniki, Energoelektroniki i Automatyki Systemów Przetwarzania Energii oraz Automatyki i Robotyki, a także Centrum Technologii Kosmicznych AGH oraz firmy Analog Astronaut Training Center z Krakowa.
