UTEPは月と火星の土壌からの原材料を使用して新しい3Dプリントプラスチックバッテリー技術を開発

2023年3月26日、アンタークティックベアは、テキサス大学エルパソ校（UTEP）の研究者が新しい3Dプリントバッテリー技術を開発していることを知りました。NASAが資金提供しているこのプロジェクトは、月と火星のサンダーストーン（月と火星の表面を覆う高性能材料）を使用して充電式バッテリーを製造することを目的としています。

「UTEP は宇宙 3D プリント技術をリードしており、この重要な取り組みに携わる UTEP の研究者チームに賛辞を送ります」と、UTEP 工学部学部長のケニス・マイスナー博士は述べています。「彼らの研究がこのプロジェクトに多大な価値をもたらし、月、そしておそらく火星への再訪に役立つと確信しています。」
UTEP は、ヤングスタウン州立大学 (YSU)、3D プリンター製造業者 Formlabs、ICON を含む NASA 主導の 250 万ドルのプロジェクトの一環として 615,000 ドルを授与されました。その中で、ICONは現在、火星に将来の居住地を3Dプリントすることを目指すNASAのMars Dune Alphaプロジェクトを主導している。
UTEPによると、このプロジェクトの長期目標は、積載重量と固定容積を削減することで、将来の月や火星へのミッションにおける宇宙飛行士の持続可能性を最大化することである。月や火星に広く存在する現地資源を活用することは、居住モジュール、発電、エネルギー貯蔵施設などのインフラを開発する上で重要になります。

「UTEP は NASA 主導のこのプロジェクトの先駆的なパートナーであり、積層造形における豊富な経験を持っています」と、UTEP 工学部の航空宇宙および機械工学の教授兼副学部長であるエリック・マクドナルド博士は述べています。「3D プリント、材料科学、そして最先端の施設における UTEP の評判は、宇宙探査だけでなく、バッテリーの地上での用途拡大にもつながるこの潜在的に変革的な研究に着手するよう NASA のパートナーを説得する上で重要な要素でした。」

アメリカ化学会の査読誌ACS Energy Lettersに1月に発表された「月と火星でのバッテリー製造はどうなるのか？」という記事には、UTEPとNASAの研究者らがすでにこのプロジェクトで成し遂げた進歩が詳しく記されている。発表された論文では、月と火星で使用するための成形可能なバッテリーを製造するための 2 種類の 3D 印刷プロセス、材料押し出し (ME) とバット光重合 (VPP) について説明しています。

関連論文リンク: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.2c02743
プラスチック電池は複雑な三次元電池設計であり、物体の寸法を満たすことができるため、既存の市販電池よりも優れています。特注のバッテリーは、小型宇宙船、ポータブル電源装置、ロボット工学、月面および火星の居住ミッション向けの大規模電源システムに特に適しています。
長期の有人ミッションをサポートするために、充電式バッテリーを抽出および製造するための原料として月と火星の ISRU を使用する様子を示すイラスト。このオリジナルアートワークは、A. Maurel、P. Garcia によって考案、作成、参考資料から改変され、デザインされました。クレジット: NASA この研究のもう一つの潜在的な成果は、地球上で使用できる成形可能なバッテリーの開発です。このセルを3Dプリントされたコンクリートの壁に埋め込み、太陽光発電に接続することで、災害対応や発展途上国向けのコンパクトで自立した住宅を建設できる可能性がある。
（a）当該負極材料の理論的な重量容量または体積容量値。（b）1Ahの陽極材料を生産するために必要な月の原材料の量。
市販のリチウムイオン電池は現在ほとんどの用途で使用されていますが、月にはリチウムがほとんど存在しないため、月や火星の土壌からリチウムイオン電池を作ることは現実的な選択肢ではありません。このプロジェクトの中で、UTEP の研究チームは現在、月の豊富なナトリウム資源に基づいたナトリウムイオン電池の化学に関する研究に注力しています。
従来のバッテリーと 3D プリントバッテリーの製造手順。（*セラミック電解質を使用した全固体電池のワンショットマルチマテリアル 3D プリント後、ポリマーマトリックスを除去して電気化学的性能を向上させるために、追加の熱後処理ステップが追加される場合があります。固体ポリマー電解質を使用する場合は、この追加ステップを避ける必要があります。）
「NASAとのこのプロジェクトは、UTEPのエネルギー貯蔵と3Dプリントの専門知識を披露する機会です」と、UTEPの航空宇宙および機械工学部のフランス人フルブライト奨学生であるアレクシス・モーレル博士は述べています。「付加製造は、貨物補給がそれほど簡単には得られない宇宙や月や火星の表面での人間の活動を支援するための成形可能なバッテリーを作成するためのユニークなアプローチのようです。」
UTEP チームには、マクドナルド氏とモーレル氏に加え、UTEP 航空宇宙・機械工学部のポスドク研究員であるアナ C. マルティネス博士と、化学・生化学部の助教授であるスリープラサドスリーニヴァサン博士も含まれていました。
プロジェクトの初期段階では、NASA、UTEP、揚州大学が月と火星の岩石からバッテリー材料と前駆物質を特定し、抽出する作業を行う予定。 UTEP/YSU チームは、ナトリウムイオン電池の各部品 (電極、電解質、集電体など) 用の複合樹脂原料を開発し、VPP 3D プリントしました。 NASA のマーシャル宇宙飛行センターとエイムズ研究センターのチームは、さまざまなバッテリー部品用の複合インクを開発し、3D プリントしました。 UTEP と NASA のグレン研究センターは、完成した 3D プリントされたナトリウムイオン電池コンポーネントの電気化学テストを実施しています。

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