500 Вт·ч/кг: Гарвард описал батарею, которая месяцами удерживает солнечные самолеты в небе

Беспилотные солнечные самолеты смогут неделями и месяцами кружить в стратосфере, отслеживая пожары, ураганы и климат, если их батареи достигнут удельной энергии 500 Вт·ч/кг. Такой порог определили исследователи Гарвардской школы инженерии и прикладных наук совместно с Мичиганским университетом и отраслевыми партнерами.

Исследование возглавил Крейг Маскаренас из лаборатории климатолога Джима Андерсона. Маскаренас уже не первый год соответствует по батареям и электрическим двигателям солнечного самолета, эксплуатируемого компанией Electra.aero. Соавторами стали исследователи батарей Венкатасубраманиан Висванатан и Шашанк Срипад, а также аэрокосмический предприниматель Джон Ленгфорд, чьи компании уже строили и испытывали экспериментальные солнечные самолеты.

Замкнутый круг веса

Идея проста: самолёт летит на высоте около 18 км, что в два раза выше, чем пассажирские лайнеры, и над большинством облаков. Днём солнечные панели питают двигатели и заряжают батареи, а ночью самолёт летит на накопленной энергии. Проблема в том, что для более длинной ночи нужна более ёмкая батарея, а более ёмкая батарея тяжелее.

Поэтому исследователи советуют разработчикам батарей сосредоточиться на удельной энергии, то есть на том, сколько энергии содержит каждый килограмм батареи. Удельная мощность, которая показывает, насколько быстро батарея отдает энергию, здесь второстепенна: таким самолетам требуется немного мощности, зато её должно хватить на всю ночь.

Почему именно 500

Порог в 500 Вт·ч/кг примерно в два раза превышает типичные 250 Вт·ч/кг батарей серийных электромобилей. Впрочем, автопром движется в том же направлении: Geely, например, готовит твердотелную батарею мощностью 500 Вт·ч/кг и обещает выпустить первые автомобили с этой системой в 2027 году.

Экспериментальные и специализированные элементы уже достигают показателя около 400 Вт·ч/кг. Аналогичные показатели обещают и производители аккумуляторов для электромобилей: компания Farasis Energy, в которую инвестировал Mercedes, заявила о твердотельные батареи с энергоемкостью 400–500 Вт·ч/кг.

Батареи уже догоняют

Ключевым игроком в авиационной отрасли — является американская компания Amprius Technologies. В сентябре компания представила второе поколение элементов SiCore с кремниевым анодом: они обеспечивают 500 Вт·ч/кг при непрерывном разряде и, что важно, изготавливаются на обычном оборудовании для литий-ионных батарей, сообщает Технологии беспилотных систем. Ранее компания уже превышала этот порог, но только с помощью специализированных процессов.

Именно батареи Amprius поддерживали в воздухе рекордсмена среди солнечных самолетов. Беспилотник Zephyr компании AALTO, дочерней компании Airbus, стартовал в Кении 20 февраля 2025 года и пробыл в стратосфере на высоте около 21 км 67 дней, 6 часов и 52 минуты. Это самый длительный непрерывный полёт летательного аппарата в истории, сообщила Amprius.

Зачем летать месяцами

Андерсон работает над концепциями солнечных самолетов уже три десятилетия и возглавляет гарвардскую часть консорциума SACOS (Stratospheric Airborne Climate Observing System), в который также входят MIT и Electra.aero. Демонстратор проекта Dawn One с размахом крыла около 27 м и массой примерно 120 кг впервые поднялся в воздух в сентябре 2022 года.

Главное преимущество таких аппаратов — длительное наблюдение. Пилотируемый исследовательский самолет NASA ER-2 обычно выполняет миссии продолжительностью 6–8 часов, а час полета обходится в десятки тысяч долларов. Солнечный беспилотник мог бы месяцами возвращаться на одну и ту же территорию и следить, например, за лесными пожарами, отмечает Interesting Engineering. Команда Андерсона уже разрабатывает модели глубокого обучения и радиационного переноса для картографирования пожаров из стратосферы.

Пока что — это ориентир, а не готовый самолет

Важно понимать, что исследование определяет целевой показатель, а не демонстрирует новую батарею или многомесячную миссию. Сможет ли самолет оставаться в небе в течение нескольких месяцев, будет зависеть также от атмосферных условий в конкретном регионе, широты и времени года, подчеркивают авторы статьи в журнале ACS Energy Letters.

Источник: Harvard SEAS