Mnoho činností, které na Zemi zvládáme bez mrknutí oka, jsou v kosmickém prostoru složitější, komplexnější a časově náročnější. Třeba taková výměna baterií je činnost, kterou zvládneme během pár desítek sekund. Jenže když jde o kompletní modernizaci hlavních akumulátorů na Mezinárodní kosmické stanici, jde o velmi složitý úkol, který vyžaduje pečlivé plánování. Nyní je tento mamutí úkol dokončen a stanice tak může pokračovat ve své unikátní sérii, kdy již více než 20 let nonstop na své palubě hostí astronauty z různých zemí světa.

Astronaut Andrew Morgan vyfocený 11. října 2019 při výstupu do volného prostoru na sekci P6 příhradové konstrukce provádí výměnu starých nikl-vodíkových akumulátorů za nové lithium-iontové.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Mezinárodní kosmická stanice obíhá kolem Země rychlostí zhruba 7 800 m/s, což znamená, že hranici mezi světlem a stínem překonává průměrně každých 45 minut. To tedy znamená, že 45 minut je stanice nad osvětlenou stranou Země a její fotovoltaické panely tak mohou ze slunečního záření generovat elektrickou energii k provozu palubních systémů. Část vytvořené energie se však hned nespotřebuje – místo toho se ukládá do akumulátorů, které se nachází na příhradové konstrukci stanice. Jakmile ISS přeletí přes takzvaný terminátor (rozhraní mezi denní a noční stranou Země), začnou akumulátory uvolňovat do staničních rozvodů nahromaděnou energii. Na jejích nepřetržitých dodávkách závisí všechno na palubě stanice – od systémů podpory života až po vysavače, kterými posádka uklízí.

Nákladní loď HTV-9 vyfocená 4. června 2020 – v jejích útrobách je uložena externí paleta z lodi HTV-8 se starými nikl-vodíkovými akumulátory.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Vylepšení mezinárodní kosmické stanice jsou navržena tak, aby se maximalizovala schopnost této orbitální laboratoře podpořit vědecký výzkum a vývoj nových technologií. ISS se navíc stále více otevírá komerčnímu sektoru a slouží tak jako základna, která má rozvíjet silnou ekonomiku využívání nízké oběžné dráhy Země. Kromě toho se pracuje i na průběžné údržbě stanice a zapomínat nejde ani na vědecký výzkum, který lidstvu pomáhá připravit se na budoucí dlouhodobé mise k Měsíci v rámci programu Artemis a jednou třeba i k Marsu.

Primární energetický systém stanice původně využíval k ukládání elektrické energie nikl-vodíkové akumulátory. V roce 2009 proběhla předběžná studie vyhodnocující rizika a možnosti využití lithium-iontových akumulátorů, které by se použily jako náhrada ve staničním energetickém systému. Začátkem roku 2011 byl schválen vývoj těchto nových akumulátorů a jejich výroba začala na konci roku 2014. V prosinci 2016 pak NASA zahájila zdlouhavý proces výměny stárnoucích akumulátorů za nové lithium-iontové. Po čtyřech startech japonských zásobovacích lodí HTV a poté, co 13 různých astronautů vykonalo 14 výstupů do volného prostoru, je primární energetický systém stanice kompletně modernizován a plně využívá lithium-iontové akumulátory.

Proces výroby nových lithium-iontových akumulátorů pro ISS.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Výrobu těchto akumulátorů obstarala firma Boeing, která spolupracovala třeba s Aerojet Rocketdyne a různými dalšími firmami. Lithium-iontové články s certifikací pro použití v kosmickém prostoru poskytla společnost GS Yuasa Lithium Power. Jeden nový akumulátor a příslušná adaptérová deska nahrazuje dva staré nikl-vodíkové akumulátory. Zmíněné adaptérové desky vyrobila společnost Atec a jejich úkolem bylo poskytnout novým akumulátorům teplo, zatímco byly na transportní paletě lodi HTV, než došlo k jejich přesunu na příhradovou konstrukci, kde proběhla jejich instalace.

Schéma nových akumulátorů a adaptérových desek.
Zdroj: https://www.spaceflightinsider.com/

Funkce ohřívání není po usazení akumulátorů na místo potřebná – každý článek totiž obsahuje dva vnitřní ohřívače, které po aktivování zajistí optimální tepelné podmínky. Adaptérové desky tedy už neslouží k ohřívání, ale mají jiný úkol – fungují jako spojky propojující lithium-iontové akumulátory s jednotkami BCDU (Battery Charge/Discharge Unit), které řídí přenos elektrické energie, telemetrie a pokynů. Jednotky BCDU jsou nezbytné k využívání energie uložené v akumulátorech. Starají se totiž například o to, že část energie vygenerované fotovoltaickými panely bude nabíjet akumulátory. Nad noční stranou zase BCDU usměrňují tok energie z akumulátorů do elektrických rozvodů stanice.

Jessica Meir vyfocená 15. ledna 2020 při výstupu do volného prostoru za účelem výměny staničních akumulátorů.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

První várka šesti lithium-iontových akumulátorů a adaptérových desek dorazila na stanici v prosinci 2016 s japonskou lodí HTV-6 a poslední pak v květnu 2020 na palubě HTV-9 – posledního exempláře první generace této nákladní lodi. Pozemní týmy mohly využít schopností staničního manipulátoru Canadarm2 k tomu, aby se nové akumulátory umístily blízko k ose stanice, kde budou připraveny k instalaci. Konce příhradové konstrukce však byly mimo dosah staničního manipulátoru a proto zde museli všechno udělat astronauti při výstupech do volného prostoru.

Při tomto komplexním procesu se objevilo také několik komplikací. V dubnu 2019 selhání jednotky BCDU během aktivace způsobilo zničení pojistky v jednom novém akumulátoru. S pomocí staničního manipulátoru tedy proběhla výměna jednotky BCDU a opětovná instalace dvou nikl-vodíkových akumulátorů. Ty byly na svém místě dokud náhradní lithium-iontový akumulátor v lednu 2020 nepřivezla loď Dragon při misi CRS-19. Kromě toho selhala i druhá jednotka BCDU – tentokrát na vzdáleném konci příhradové konstrukce. Bylo tedy potřeba vykonat dodatečný výstup do volného prostoru k její výměně. To byl mimochodem ve své době velmi známý a ostře sledovaný výstup Christiny Koch a Jessicy Meir – první čistě ženský výstup do volného prostoru v historii kosmonautiky.

Kresba jednotky BCDU
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Ačkoliv některé nikl-vodíkové akumulátory byly odpojeny a jsou trvale skladovány na adaptérových deskách na vnější části stanice, mnoho z nich bylo instalováno na paletu lodi HTV, která se následně vsunula do lodi, se kterou pak zanikla v zemské atmosféře. V závěrečné konfiguraci má ISS tři lithium-iontové akumulátory v každém kanálu, přičemž každý akumulátor má životnost téměř 10 let. Jelikož na stanici najdeme osm kanálů, můžeme říct, že 24 lithium-iontových akumulátorů nahradilo 48 nikl-vodíkových. Vyšší energetická hustota nové technologie snižuje počet potřebných akumulátorů (i lodí, které je k ISS dopraví).

Loď HTV-8 doručila na ISS nové akumulátory
Zdroj: https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/

Výzkum lithium-iontových akumulátorů sponzorovaný NASA může přinést benefity v podobě jejich bezpečnějšího používání na Zemi. Když se totiž lithium-iontové články přehřejí, může v akumulátoru dojít k situaci zvané tepelný lavinový jev (thermal runaway). Lithium-iontové akumulátory na ISS využívají štítu pro blokování vyzařovaného tepla – tato technologie byla původně vyvinuta pro raketové motory a měla by snižovat pravděpodobnost tepelného lavinového jevu. V rámci programu NASA pro přenos technologií pracuje kalifornská firma KULR na vývoji přesnějších metod, které by měly ověřovat tyto jevy. Firma také vyvinula systém TRS (Thermal Runaway Shield), který odebírá teplo z lithium-iontových akumulátorů, a oproti tradičním metodám šetří hmotnost a zmenšuje velikost akumulátorů. Systém TRS vyvinutý pro balíčky lithium-iontových akumulátorů ve skafandrech může být využit v mnoha různých aplikacích – od družic a kosmických sond až po elektrokola a skútry. V budoucnosti by se systém TRS mohl uplatnit také v elektromobilech, dronech či letadlech.

Když byla dokončena modernizace akumulátorů na palubě ISS, stáčí se pozornost na rozšíření fotovoltaických panelů. Jak jsme psali již dříve, v průběhu dalších let se na stanici dostane šest nových fotovoltaických panelů, které sem přivezou tři kosmické lodě Dragon 2. Ačkoliv stávající panely fungují stále dobře, začínají se přibližovat konci své patnáctileté životnosti. Nové panely budou instalovány při výstupech do volného prostoru a každý z nich dodá stanici více než 20 kW elektrického výkonu. Zbývající nezakrytá dvojice stávajících panelů mají generovat zhruba 95 kW, což celkově dělá až 215 kW elektrického výkonu, který bude po dokončení modernizace k dispozici k provozu stanice.

Nick Hague vyfocený 29. března 2019 při výměně staničních akumulátorů.
Zdroj: https://blogs.nasa.gov/

Na závěr ještě malé připomenutí všech výstupů do volného prostoru, které v uplynulých letech proběhly za účelem výměny staničních akumulátorů.

Sekce příhradové konstrukce S4 (blíže středu)

• Akumulátory dovezla mise HTV-6 (start v prosinci 2016)
• 6. 1. 2017 – EVA: Shane Kimbrough a Peggy Whitson
• 13. 1. 2017  – EVA: Shane Kimbrough a Thomas Pesquet (ESA)

Sekce příhradové konstrukce P4 (blíže středu)

• Akumulátory dovezla mise HTV-7 (start v září 2018)
• 22. 3. 2019 – EVA: Nick Hague a Anne McClain
• 29. 3. 2019 – EVA: Nick Hague a Christina Koch
• 8. 4. 2019 – EVA: Anne McClain a David St. Jacques (příprava na další práci)

Sekce příhradové konstrukce P4 (blíže okraji)

• Akumulátory dovezla mise HTV-8 (start v září 2019)
• 6. 10. 2019 – EVA: Christina Koch a Andrew Morgan
• 11. 10. 2019 – EVA: Christina Koch a Andrew Morgan
• 18. 10. 2019 – EVA: Christina Koch a Jessica Meir (výměna poškozené BCDU)
• 15. 1. 2020 – EVA: Christina Koch a Jessica Meir
• 20. 1. 2020 – EVA: Christina Koch a Jessica Meir

Sekce příhradové konstrukce S4 (blíže okraji)

• Akumulátory dovezla mise HTV-9 (start v květnu 2020)
• 26. 6. 2020 – EVA: Chris Cassidy a Robert Behnken
• 1. 7. 2020 – EVA: Chris Cassidy a Robert Behnken
• 16. 7 2020 – EVA: Robert Behnken a Chris Cassidy
• 1. 2. 2021 – EVA: Mike Hopkins a Victor Glover

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasaspaceflight.com/…/2020/06/NSF-2020-06-26-11-36-09-209.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/iss061e005542_large.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/iss063e024519_large.jpg
http://spaceflight101.com/htv-6/wp-content/uploads/sites/127/2016/12/ISSBat-8.jpg
https://www.spaceflightinsider.com/…/2019/03/Battery-adapter-plate-655×334.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/1/11/BCDU_drawing.png/640px-BCDU_drawing.png
https://mk0spaceflightnoa02a.kinstacdn.com/…/uploads/2019/07/190719_htv8.jpg
https://blogs.nasa.gov/…/sites/240/2019/03/snaps_spacewalker-nick-hague-1024×576.jpg