空气含量超过99％的轻质复合材料可能成为推动未来太空飞行任务的关键。该材料被称为多孔碳气凝胶，弥补由研究人员在美国航空航天局资助的开发的超级电容器的电极默塞德纳米材料中心的能源和传感时， 加州大学圣克鲁兹分校 的（UCSC），加州大学默塞德分校，和劳伦斯利弗莫尔国家实验室。该设备能够在极低的温度下运行，也使其成为地球上极地探险的理想电源。

许多航天器要求加热系统在其恶劣的环境中运行。例如，NASA的恒心漫游者（Perseverance Rover）最近开始了一项为期两年的任务，以寻找火星上古老的微生物生活的迹象，那里的平均温度为-62°C，冬天则降至-125°C以下。机载加热器可防止流动站电池中的电解质冻结，但是加热器和为其供电所需的能源增加了航天器有效载荷的重量。

电容器和电池之间

在充电/放电速度与能量存储能力之间的权衡中，超级电容器（或更准确地说是双电层或电化学电容器）介于电池和常规（电介质）电容器之间。尽管在存储电荷方面不如电池好，但超级电容器由于其多孔电极而在这方面比常规电容器要好，多孔电极的表面积高达几平方公里。当施加电压时，在这种装置的电解质-电极界面处形成的双层进一步增加了它们可以存储的电荷量。

超级电容器也比电池具有一些优势。它们可以在数分钟内完成充电和放电-不像电池那样需要数小时。它们的寿命也更长，可以持续数百万个循环，而不是数千个。与通过化学反应工作的电池不同，超级电容器以带电离子的形式存储能量，这些离子聚集在电极表上。

分层渠道

在他们之前的工作的基础上，由UC Merced的Jennifer Lu和UCSC的Yat Li领导的研究人员使用了一种称为直接墨水书写的3D打印技术来制作其超级电容器电极。他们通过将纤维素纳米晶体（提供碳）与二氧化硅微球悬浮液混合来制成油墨。一旦将其冷冻干燥，后者可作为在气凝胶的晶格结构中产生大孔的硬模板。

气凝胶晶格中的孔尺寸从500微米变化到仅几纳米，从而形成了通道的分层结构。这些通道显着提高了电解质中的离子扩散穿过材料的速度，同时还使它们需要传播的距离最小化。

与其他超级电容器相比的优势

该团队的3D多尺度多孔碳气凝胶的表面积约为1750 m 2 / g，测试表明，由该材料制成的电极在施加5 mV / s的电压时的电容为148.6 F / g。研究人员说，这比大多数其他低温超级电容器要高。该团队还证明了包含该电极的设备可以在低至-70°C的温度下进行离子扩散和电荷转移。相比之下，商用锂离子电池和超级电容器的最低工作温度通常在-20°C至-40°C左右–如前所述，该值受到电解质凝固点的限制。

该团队现在将与NASA的科学家合作，以进一步表征该设备的低温性能。卢告诉《物理学世界》，“我们将通过在类似于月球，火星和国际空间站的环境中对它们进行测试来做到这一点。”