Von -173 bis +120 °C: GM entwickelt extremen Akku für den Mond

Wenn die Temperaturen im Winter unter den Gefrierpunkt fallen, verlieren viele Elektroautos spürbar an Reichweite. Für Batterieentwickler ist das seit Jahren eine der größten Herausforderungen. Doch während die Automobilindustrie auf der Erde über einige Minusgrade diskutiert, arbeitet General Motors derzeit an einem Akku, der Bedingungen überstehen soll, die selbst arktische Winter harmlos erscheinen lassen.

Gemeinsam mit dem Raumfahrtunternehmen Lunar Outpost entwickelt der US-Konzern die Batterietechnik für den Mondrover Pegasus. Das Fahrzeug soll künftig Astronauten im Rahmen der Artemis-Missionen über die Mondoberfläche transportieren. Sein Einsatzgebiet liegt am Südpol des Mondes – einer Region, die als einer der extremsten Orte im Sonnensystem gilt.

Dort können die Temperaturen in dauerhaft verschatteten Kratern auf etwa minus 173 Grad Celsius sinken. In sonnenbeschienenen Bereichen steigen sie dagegen auf über 120 Grad Celsius. Hinzu kommen Vakuum, kosmische Strahlung und scharfkantiger Mondstaub. Für die Batterie bedeutet das einen Härtetest, wie ihn bislang kaum ein Energiespeicher bestehen musste.

General Motors kehrt nach mehr als 50 Jahren auf den Mond zurück

Für General Motors ist das Projekt mehr als ein prestigeträchtiger Raumfahrtauftrag. Es knüpft direkt an ein erfolgreiches Kapitel der eigenen Unternehmensgeschichte an.

Bereits 1971 entwickelte GM gemeinsam mit Boeing das Lunar Roving Vehicle für die Apollo-Missionen. Die elektrisch angetriebenen Fahrzeuge kamen bei Apollo 15, 16 und 17 zum Einsatz und ermöglichten den Astronauten erstmals größere Erkundungstouren auf dem Trabanten.

Die Technik war damals jedoch stark eingeschränkt: Die Rover nutzten nicht wiederaufladbare Silber-Zink-Batterien und waren lediglich für wenige Einsätze ausgelegt. Insgesamt legten die Fahrzeuge während aller Apollo-Missionen nur rund 90 Kilometer zurück.

Pegasus verfolgt eine völlig andere Philosophie. Der Rover soll über mehrere Artemis-Missionen hinweg eingesetzt werden und eine Gesamtfahrleistung von bis zu 30.000 Kilometern erreichen. Das entspricht ungefähr der zweieinhalbfachen Strecke von Flensburg nach Garmisch-Partenkirchen – allerdings unter Bedingungen, die jede Wüstenpiste auf der Erde in den Schatten stellen.

Warum die Nasa ausgerechnet den Südpol ansteuert

Die extremen Anforderungen an das Fahrzeug haben vor allem mit der Geologie des geplanten Einsatzgebietes zu tun. Der Südpol des Mondes gilt als Schlüsselregion für die zukünftige bemannte Raumfahrt. In den tiefen Kratern vermuten Forscher große Mengen Wassereis. Dieses Eis könnte eines Tages zu Trinkwasser, Sauerstoff oder sogar Raketentreibstoff verarbeitet werden.

Gleichzeitig entstehen genau dort die größten technischen Herausforderungen: Viele Krater liegen dauerhaft im Schatten; Sonnenlicht erreicht ihre Böden seit Milliarden Jahren nicht mehr. Entsprechend niedrig sind die Temperaturen. Nur wenige Kilometer entfernt befinden sich wiederum Bergkämme, die nahezu permanent von der Sonne beschienen werden. Ein Fahrzeug, das sich durch diese Topografie bewegt, muss mit extremen Temperaturstürzen und -sprüngen zurechtkommen. Für die Batterie bedeutet das: maximale thermische Stabilität.

Batterietechnologie: NCMA-Zellen statt Wunderakku

Wer bei einem Mondrover an eine völlig neue, exotische Batterietechnologie denkt, liegt überraschenderweise daneben. Nach bisher vorliegenden Informationen setzt General Motors auf eine gezielte Weiterentwicklung seiner vorhandenen Lithium-Ionen-Technologie. Zum Einsatz kommen sogenannte NCMA-Zellen (Nickel, Cobalt, Mangan, Aluminium).

Diese Batterien bieten bereits in heutigen Serienfahrzeugen eine hohe Energiedichte und eine lange Lebensdauer. Die eigentliche Ingenieursleistung besteht deshalb weniger in der reinen Zellchemie als vielmehr im robusten Gesamtsystem. Die Entwickler müssen dafür sorgen, dass die Batterie unter Umweltbedingungen funktioniert, für die Lithium-Ionen-Zellen ursprünglich nie konzipiert wurden.

Thermomanagement: Wenn Kälte den Innenwiderstand hochtreibt

Schon bei irdischen Temperaturen um den Gefrierpunkt verlangsamen sich die elektrochemischen Prozesse innerhalb einer Batterie. Der Innenwiderstand steigt, der Stromfluss stockt und die Leistungsfähigkeit sinkt rapide.

Auf dem Mond verschärft sich dieses physikalische Problem dramatisch. In den dauerhaft verschatteten Regionen des Südpols herrschen Temperaturen von bis zu minus 173 Grad Celsius. Ohne Schutzmaßnahmen würden die Batteriezellen innerhalb kürzester Zeit komplett auskühlen und irreparablen Schaden nehmen.

Deshalb entwickelt GM hochentwickelte Heiz- und Isolationssysteme. Sie halten die Batterien stets in einem optimalen Temperaturfenster. Gleichzeitig muss dieses Thermomanagement im Umkehrschluss verhindern, dass die Zellen in den stark sonnenbeschienenen Gebieten überhitzen.

Für Elektroautos auf der Erde sind genau diese Erkenntnisse hochgradig relevant. Optimierte Temperaturregelungen können künftig dazu beitragen, Reichweitenverluste im Winter spürbar zu reduzieren und die Performance beim Schnellladen bei niedrigen Temperaturen zu stabilisieren.

Schutz vor kosmischer Strahlung und Elektronikausfällen

Während auf der Erde die Atmosphäre und das Magnetfeld einen Großteil der hochenergetischen Strahlung abschirmen, fehlt dieser Schutzschirm auf dem Mond völlig. Sonnenstürme und kosmische Teilchen treffen ungehindert auf das Fahrzeug und seine Komponenten.

Davon betroffen sind keineswegs nur Sensoren und Bordcomputer. Auch die Batteriemanagementsysteme (BMS), die Leistungselektronik und die elektrischen Verbindungen müssen gegen diese Strahlung gehärtet werden. Für die Entwickler bedeutet das extrem hohe Anforderungen an die Abschirmung und die Materialauswahl, um die Redundanz und Ausfallsicherheit über Jahre zu garantieren.

Regolith: Der scharfkantige Mondstaub als mechanisches Risiko

Eine weitere Herausforderung ist deutlich unscheinbarer, im konstruktiven Alltag jedoch hochgefährlich: Der Mond ist von einer Schicht aus feinstem Staub bedeckt, dem sogenannten Regolith. Anders als irdischer Sand ist dieser Staub nicht durch Wind oder Wasser abgeschliffen worden. Die Partikel besitzen messerscharfe Kanten und wirken wie mikroskopisch kleine Glassplitter.

Bereits die Apollo-Astronauten berichteten von massiven Problemen: Der Staub haftete elektrostatisch an den Raumanzügen, zerstörte Dichtungen und drang in bewegliche Bauteile ein.

Moderne Mondfahrzeuge müssen mechanisch vollkommen abgekapselt sein. Der Regolith darf weder Steckverbindungen verschmutzen noch bewegliche Komponenten verschleißen oder die Kühlsysteme blockieren. Für die Konstrukteure zählt der Staub zu den größten Risiken für die Langzeitstabilität.

Technologietransfer: Was davon in künftigen Serienfahrzeugen landet

Für General Motors fungiert das Pegasus-Projekt als technologisches Reallabor unter Extrembedingungen. Viele Innovationen, die für den Einsatz im Weltraum optimiert werden, dürften mittelfristig in die Serienfertigung von Straßenfahrzeugen einfließen. Dazu gehören insbesondere:

• Leistungsfähigere Heiz- und Kühlsysteme: Effizientere Thermomanagement-Systeme für eine stabile Performance in jeder Klimazone.
• Fortschrittliche Isolationskonzepte: Innovative Materialien, die Batterien ohne hohen Energieaufwand warm oder kühl halten.
• Robuste Batteriemanagementsysteme: Software und Sensorik, die extremen äußeren Störeinflüssen standhalten.
• Präzise Zustandsüberwachung (Cell Monitoring): Algorithmen, die den Alterungsprozess und den Zustand einzelner Zellen noch genauer analysieren.

Besonders spannend ist hierbei der Faktor Nachhaltigkeit und Lebensdauer: Wenn ein Batteriesystem so konstruiert werden kann, dass es Jahre auf dem Mond übersteht, liefert das wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung extrem langlebiger und wartungsarmer Fahrzeugakkus auf der Erde.