500 Вт·год/кг: Гарвард описав батарею, яка місяцями тримає в небі сонячні літаки

Безпілотні сонячні літаки зможуть тижнями й місяцями кружляти в стратосфері, стежачи за пожежами, ураганами та кліматом, якщо їхні батареї досягнуть питомої енергії 500 Вт·год/кг. Такий поріг визначили дослідники Гарвардської школи інженерії та прикладних наук разом із Мічиганським університетом і галузевими партнерами.

Дослідження очолив Крейг Маскаренас із лабораторії кліматолога Джима Андерсона. Маскаренас не перший рік відповідає за батареї та електричні рушії сонячного літака, який експлуатує компанія Electra.aero. Співавторами стали дослідники батарей Венкатасубраманіан Вісванатан і Шашанк Сріпад, а також аерокосмічний підприємець Джон Ленгфорд, чиї компанії вже будували й випробовували експериментальні сонячні літаки.

Замкнене коло ваги

Ідея проста: літак літає на висоті близько 18 км, удвічі вище за пасажирські лайнери і над більшістю хмар. Удень сонячні панелі живлять двигуни й заряджають батареї, а вночі літак летить на накопиченій енергії. Проблема в тому, що для довшої ночі потрібна більша батарея, а більша батарея важча.

Тому дослідники радять розробникам батарей зосередитися на питомій енергії, тобто на тому, скільки енергії вміщує кожен кілограм батареї. Питома потужність, яка показує, наскільки швидко батарея віддає енергію, тут другорядна: таким літакам потрібно небагато потужності, зате її має вистачити на всю ніч.

Чому саме 500

Поріг у 500 Вт·год/кг приблизно вдвічі вищий за типові 250 Вт·год/кг батарей серійних електромобілів. Втім, автопром рухається в тому ж напрямку: Geely, наприклад, готує твердотілу батарею на 500 Вт·год/кг і обіцяє перші авто з нею у 2027 році.

Експериментальні та спеціалізовані комірки вже сягають близько 400 Вт·год/кг. Аналогічні показники обіцяють і виробники батарей для електромобілів: Farasis Energy, у яку інвестував Mercedes, заявила про твердотілі батареї з енергоємністю 400–500 Вт·год/кг.

Батареї вже наздоганяють

Для авіації ключовий гравець — американська Amprius Technologies. У вересні компанія представила друге покоління комірок SiCore з кремнієвим анодом: вони дають 500 Вт·год/кг за безперервного розряду і, що важливо, виготовляються на звичайному обладнанні для літій-іонних батарей, повідомляє Unmanned Systems Technology. Раніше компанія вже перевищувала цей поріг, але тільки за допомогою спеціалізованих процесів.

Саме батареї Amprius тримали в повітрі рекордсмена серед сонячних літаків. Безпілотник Zephyr компанії AALTO, дочірньої компанії Airbus, стартував у Кенії 20 лютого 2025 року і пробув у стратосфері на висоті близько 21 км 67 днів, 6 годин і 52 хвилини. Це найдовший безперервний політ літального апарата в історії, повідомила Amprius.

Навіщо літати місяцями

Андерсон працює над концепціями сонячних літаків уже три десятиліття і очолює Гарвардську частину консорціуму SACOS (Stratospheric Airborne Climate Observing System), до якого також входять MIT та Electra.aero. Демонстратор проєкту Dawn One з розмахом крила близько 27 м і масою приблизно 120 кг вперше піднявся в повітря у вересні 2022 року.

Головна перевага таких апаратів — тривале спостереження. Пілотований дослідницький літак NASA ER-2 зазвичай виконує місії тривалістю 6–8 годин, а година польоту коштує десятки тисяч доларів. Сонячний безпілотник міг би місяцями повертатися до тієї самої території і стежити, наприклад, за лісовими пожежами, зазначає Interesting Engineering. Команда Андерсона вже розробляє моделі глибокого навчання та радіаційного переносу для картографування пожеж зі стратосфери.

Поки що — орієнтир, а не готовий літак

Важливо розуміти, що дослідження визначає цільовий показник, а не демонструє нову батарею чи багатомісячну місію. Чи вдасться тримати літак у небі місяцями, залежатиме також від атмосферних умов у конкретному регіоні, широти й пори року, наголошують автори статті в ACS Energy Letters.

Джерело: Harvard SEAS