Jak získávat energii na hranicích Sluneční soustavy

 

Vladimír Wagner

 

Jedním z největších úspěchů kosmonautiky v letošním roce byl velmi zdařilý průlet sondy New Horizons okolo trpasličí planety Pluto. Sonda, která byla do vesmíru vynesena v lednu 2006 raketou Atlas V, se většinu času pohybuje v takových vzdálenostech od Slunce, že pro její zásobování energií nelze využít sluneční záření. Proto má sonda radioizotopové zdroje energie. Ty se využívají ve všech případech, kdy aparát pracuje ve velkých vzdálenostech od Slunce nebo na povrchu planet v takových místech, kam se sluneční svit dlouhodobě v dostatečném množství nedostane. Podívejme se tak podrobněji, o jaké zařízení se jedná, jaká je jeho historie i perspektivy v budoucím kosmickém výzkumu.

 

 

Příprava sondy New Horizons, dobře je vidět právě RTG zdroj (zdroj NASA).

 

Sonda New Horizons

 

Nejdříve si však zopakujme základní informace o sondě New Horizons. Sonda o hmotnosti 478 kg nese sedm různých vědeckých přístrojů o hmotnosti zhruba 30 kg. U všech sond, které se vydávají do vesmíru, se většinou musí počítat s tím, že mají k dispozici jen velmi omezené zdroje elektřiny. Proto se využívá toho, že současná elektronika může mít velmi nízkou spotřebu. Všechny přístroje, která sonda využívá k vědeckému zkoumání i ke komunikaci se Zemí, musí vystačit jen s několika málo stovkami wattů. Připomeňme, že potřebný příkon normální domácnosti bývá daleko vyšší. Například příkon u televize je zhruba 100 W, pračky 500 W, žehličky 1000 W a podobně u mikrovlnky či elektrické pánve. U klimatizace to pak bývá i několik tisíc wattů.

Sonda New Horizons využívá radioizotopový zdroj elektřiny, který jí v době průletu okolo Pluta dodával více než 200 W elektrického výkonu. Ten sice zajistil nejnutnější potřeby přístrojů sondy, ale omezený dostupný výkon je jedním z důvodů, proč se data ze sondy k Zemi vysílají s tak malou hustotou a bude tak dlouho trvat, než se všechna data získaná při průletu na Zemi odešlou.

Radioizotopové zdroje se využívají nejen pro produkci elektřiny, ale i čistě jako zdroje tepla. Například marsovská vozítka Spirit a Opportunity měla jako zdroj elektřiny sluneční baterie, ovšem teplo hlavně během marsovské zimy jim zajišťoval právě rozpad radioizotopu plutonia 238. Během zimního období se vozidla zastavila, uložila k zimnímu spánku, vypojila všechny elektronické spotřebiče a čekala na jarní slunce. To, aby mráz přístroje nezničil a vozítka zimu přežila, zajistily radioizotopové tepelné zdroje.

 

Srovnání s fotovoltaikou – sonda Juno

 

Všechny sondy, které se vypravily k Jupiteru a dále, využívaly radioizotopové zdroje. První výjimkou je sonda Juno, která odstartovala v srpnu 2011 a její očekávaný přílet k planetě Jupiter je v příštím roce. Její hmotnost je 3 625 kg.

Fotovoltaické panely sondy mají celkovou plochu 60 m2, která je rozdělena do dvou čtyřdílných panelů s rozměrem 9,0×2,65 m2 a jedním třídílným s rozměrem 6,75×2,65 m2. Na počátku cesty jsou v blízkosti Země schopny dodat 14 000 W, u Jupitera pak jen 400 W, což je 35krát méně. Je tak jasné, proč musí mít panely tak velkou plochu. Jsou na první pohled dominantní částí sondy. Cesty do ještě vzdálenějších částí Sluneční soustavy jsou tak reálně bez radioizotopového nebo jiného jaderného zdroje těžko realizovatelné. U Saturnu už by byla potřeba pro stejný výkon plocha ještě více než třikrát větší než u Jupitera a u Pluta pak dokonce téměř šedesátkrát.

 

 

Sonda Juno u Jupitera, je vidět velikost panelů v porovnání s rozměry těla sondy (zdroj NASA).

 

Princip funkce radioizotopových zdrojů elektřiny

 

Radioizotopový generátor elektřiny se skládá ze dvou částí. První je radioizotopový zdroj tepla, ve kterém je vhodný radionuklid, jehož rozpad generuje potřebné teplo. Druhou částí je zařízení, které umožňuje přeměnit tepelnou energii na elektrickou.

Radioizotopový zdroj musí obsahovat vhodný radionuklid. Zmiňme některé nejdůležitější parametry, které určují vhodnost radionuklidu pro kosmické radionuklidové zdroje energie. V první řadě jde o vhodný poločas rozpadu, tedy rychlost s jakou se zásoba radionuklidu rozpadá. Připomeňme, že rozpad radioaktivních jader je pravděpodobnostní proces. U konkrétního jednoho jádra nelze předpovědět, kdy se rozpadne. Pokud však máme velké množství jader, je přesně definována doba, za kterou se rozpadne polovina z nich. A to je právě poločas rozpadu. Poločas rozpadu musí být dostatečně dlouhý, aby zdroj pracoval celou potřebnou dobu. Nesmí však být příliš dlouhý, protože pak máme malý počet rozpadů za časovou jednotku a produkuje se jen malé množství tepla. Pro dostatečný výkon zdroje by se tak muselo využít příliš velké množství radionuklidu.

Důležitá je také energie rozpadu. Čím vyšší je, tím je větší produkce tepla na množství jader daného radionuklidu. Výhodnější jsou také některé typy rozpadu. Při rozpadu alfa vylétává z jádra heliové jádro – částice alfa. Ta ztrácí energii při průchodu materiálem velice rychle. Konverze kinetické energie alfa částice na tepelnou je tak velmi efektivní. Zároveň je jednoduché odstínění tohoto záření. Pří rozpadu beta ztrácí elektron či pozitron energii daleko pomaleji a navíc odnese vzniklé neutrino část energie úplně. I konverze energie fotonu gama na teplo při rozpadu gama je daleko složitější a toto záření se i hůře stíní. Ne úplně nevýznamné je i to, jak je složité potřebný radionuklid získat a jaké jsou náklady na jeho výrobu.

V případě krátkodobějších misí se využíval radioizotop polonium 210, které má poločas rozpadu 138 dní. Nejběžněji se však využívalo plutonium 238 s poločasem rozpadu 88 let, které dokáže zásobovat i velmi dlouhodobé mise do vzdáleného vesmíru, jako je třeba cesta New Horizons k Plutu.

Existují v principu čtyři možnosti, jak transformovat tepelnou energii na elektrickou. První nejjednodušší je využití Sebeckova jevu a konstrukce termočlánku. Ten je založen na fyzikálním jevu, při kterém se u vhodné kombinace dvou kovů, která má na opačných koncích rozdílnou teplotu, generuje elektrické napětí. Čím větší je rozdíl teplot, tím vyšší je generované napětí. Jeho velikost závisí také na výběru kombinace příslušných kovů. Tento způsob byl díky své jednoduchosti ten, který se zatím ve vesmírných aplikacích využíval.

Druhou možností je Stirlingův motor. Využívá se zde Stirlingův cyklus, který objevil skotský vynálezce Robert Stirling v roce 1816. Plynová náplň, která se nachází v ohřívané horké a chlazené studené části pohybuje pístem píst a získaná mechanická energie pohybu se transformuje v generátoru na energii elektrickou. V kosmických aplikacích se pracuje se systémy s inertním plynem – heliem. Velkou výhodou je v tomto případě vyšší účinnost. Nevýhodou pak pohyblivé části, které jsou náchylnější k poruchám.

Třetí možnosti je turbína, v případě kosmických aplikací se uvažuje o turbíně plynové. Ta může dosáhnout ještě vyšší účinnosti konverze tepelné energie na elektrickou. Konkrétní hodnota závisí na teplotě, které se dosáhne u použitého plynu. Výhodná je však až pro vyšší výkony zdrojů. V současné době se tak prakticky vývoj takových zdrojů neprovádí. V organizaci NASA se však v dřívějších dobách testovaly prototypy turbín Braytonova systému s využitím inertního plynu – směsi hélia a xenonu. I v tomto případě jsou hlavní nevýhodou pohyblivé části, které jsou náchylnější k poruchám.

Poslední možností je přímá termionická konverze tepla na elektřinu pomocí jevu termoemise, který v roce 1893 objevil Edison. Z některých materiálů jsou při vysoké teplotě emitovány elektrony. S využitím vhodných materiálů a při dosažení potřebných vysokých teplot tak lze produkovat elektrickou energii na úkor té tepelné. Výhodou je poměrně vysoká efektivita, nevýhodou pak nutnost poměrně velmi vysokých teplot. Zatím se využití tohoto principu v kosmických generátorech energie prakticky nezkoušelo a jde zatím o čistě teoretické úvahy.

 

 

Laboratoř Mound v Miamisburgu v Ohiu (zdroj anglická wikipedie).

 

Historie radioizotopových zdrojů ve vesmíru

 

Radioizotopové zdroje elektřiny mají svůj původ už v programu vývoje jaderné zbraně Manhattan. Konkrétní konstrukce byly navrženy v roce 1954 odborníky Ken Jordanem a Johnem Birdenem z laboratoře Monsanto Mound Laboratory v Miamisburgu v Ohiu. Tato laboratoř fungovala mezi léty 1948 až 2003.

První vyvíjené zdroje využívaly radioizotop polonium 210. Polonium 210 bylo studováno jako intenzivní zdroj částic alfa už od roku 1942. Tento radionuklid vyhovoval svým poločasem rozpadu 138 dní krátkodobějším misím té doby. I tepelný výkon 120 W/g byl velice dobrý. Vývoj radioizotopového generátoru založeného na poloniu začal ve zmíněném roce 1954, první testovací koncept byl v roce 1956 a první generátor v roce 1958. Polonium bylo ve formě sloučeniny s gadoliniem GdPo. S poloniovými zdroji se v laboratoři Mound pracovalo až do roku 1971.

Vývoj radioizotopových zdrojů založených na plutoniu 238 začal ve zmíněné laboratoři Mound a zmíněnými odborníky v polovině padesátých let. Jejich tepelný výkon je sice kvůli mnohem delšímu poločasu rozpadu zhruba 0,4 W/g, ale hodí se i pro dlouhé mise. V roce 1959 byl výzkum spojený s využitím plutonia 238 přesunut z laboratoře LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) právě do laboratoře Mound. Bylo potřeba najít metody získávání a separace tohoto plutonia a také metody bezpečného skladování tohoto materiálu s vysokou aktivitou a produkcí tepla. V roce 1960 se podařilo připravit první kvalitní vzorky plutonia 238 pro tyto účely. Poprvé se radioizotopový zdroj uplatnil u navigační družice Transit 4A, která byla vynesena na orbitu v červenci 1961. Jednalo se o zdroj SNAP 3B7 (Systems for Nuclear Auxiliary Power), který využíval plutonium 238. Tento let byl i testem možností tohoto generátoru elektřiny. Ve vesmíru pracoval patnáct let.

 

http://i.space.com/images/i/000/010/664/original/transit-satellite-non-stretch.jpg?1309381641

 

První družice s radioizotopovým zdrojem byl Transit 4A (zdroj John Hopkins Applied Physics Laboratory).

 

Potřebné plutonium vyrobila a dodala zařízení K-reactor, HB Line a H Canyon na pracovišti Savannath River Site. Na reaktoru K-reactor se prováděla potřebná ozařování. V tomto reaktoru se řetězová reakce poprvé rozběhla v roce 1954 a odstaven byl v roce 1996. Zařízení H-Canyon je v současné době jediné pracoviště v USA, které se zabývá radiochemickou separací a získáváním uranu 235 a neptunia 237 z palivových článků. V průběhu let 1959 až 1988 se zde vyrobilo okolo 300 kg plutonia 238.

První test následovaly další navigační družice, v roce 1961 identická družice Transit 4B a v roce 1963 družice Transit 5B-1 a Transit 5B-2, které měly vylepšený typ zdroje SNAP-9B. Při vypouštění družice Transit 5BN-3 došlo k havárii rakety vysoko nad Zemí a družice i s plutoniovým zdrojem shořela v atmosféře. To bylo jedním z hlavních impulsů ke změně bezpečnostní strategie. Následující zdroje se konstruovaly takovým způsobem, že při libovolném typu návratu do atmosféry Země by měly dopadnout na povrch bez poškození a porušení hermetičnosti pouzdra s plutoniem. Toto pouzdro bylo složeno z iridiové schránky a vrstvy grafitu, která pohlcuje teplo. Spolehlivost koncepce se otestovala při havárii satelitu Nimbus B-1. Pouzdro s plutoniem bylo nepoškozené vyzvednuto z mořského dna, kam dopadlo, a plutonium bylo recyklováno a využito pro družici Nimbus III. Poslední navigační satelit s radioizotopovým zdrojem byl Transit-01-1X vypuštěný v roce 1975.

 

 

Snímek stanice ALSEP a generátoru SNAP-27 využívaných výpravami Apollo na Měsíci (zdroj NASA).

 

Generátor SNAP-27, který dodával 70 W, umožnil dlouhodobou práci vědeckých stanic ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Package). Ty mezi léty 1969 až 1972 umístily na Měsíci výpravy Apolla 12, 14, 15, 16 a 17. Stanice pracovaly až do roku 1977, kdy je NASA z finančních důvodů vypnula.

V letech 1972 a 1973 startovaly sondy Pioneer 10 a 11, které poprvé umožnily studovat velké planety Sluneční soustavy. Pioneer 10 proletěl kolem Jupitera a Pioneer 11 i kolem Saturnu. Sondy pak vysílaly informace o stavu meziplanetárního prostředí až k hranicím Sluneční soustavy. Radioizotopové zdroje využívaly také sondy Viking 1 a Viking 2, které v druhé polovině sedmdesátých let hledaly život na planetě Mars. A veleúspěšnými byly i sondy Voyager 1 (start v roce 1979) a 2 (start v roce 1977), které umožnily postupně průzkum všech velkých planet ve Sluneční soustavě. Nyní jsou sondy na okraji Sluneční soustavy a přinášejí nám informace o tom, jak meziplanetární prostředí přechází v mezihvězdné. Zkoumají rázové vlny vznikající na hranicích heliosféry. Předpokládá se, že by mohly pracovat až do roku 2025. Jedná se o první průzkumníky, kteří poskytují zásadní informace pro budoucí mezihvězdné lety.

 

http://saturn.jpl.nasa.gov/multimedia/images/artwork/images/IMG004628.jpg

 

Sonda Cassini měla zatím nejvýkonnější zdroj elektřiny. Měla tři radioizotopové generátory GHPS-RTG. Umělecká představa o příletu této sondy ukazuje i trojici těchto generátorů. (Zdroj NASA/JPL-Caltech).

 

Postupně se v rámci standardizace přípravy tablet z plutonia dospělo ke dvěma typy zařízení s plutoniovými zdroji tepla. Jedním byl radioizotopový zdroj tepla pro obecné použití GPHS (General Purpose Heat Source), určený třeba i pro výrobu elektřiny. Ten byl složen ze čtyř tablet o hmotnosti 150 g. Druhým je pak menší typ zdrojů LWHRU (Light Weight Radioisotope Unit), určených jen pro produkci tepla. U něj se použila jedna tableta s hmotnosti 2,7 g. V obou případech je plutonium ve formě oxidu plutoničitého. Na těchto standardech byly postaveny zdroje pro nejúspěšnější sondy, které putovaly do vzdálených míst Sluneční soustavy.

Zdroj elektřiny GPHS-RTG obsahoval 18 popsaných modulů GPHS, dohromady tak obsahoval 10,9 kg plutonia 238. Celková jeho hmotnost byla 56 kg. Pracovní teploty byly u horkého konce 1000˚C a studeného pak 300˚C. Termočlánek využíval kombinaci křemíku a germania a jeho účinnost transformace tepelné energie na elektrickou byla zhruba 6%. Jeho počáteční tepelný výkon 4400 W umožňoval dodávat elektrický výkon 240 We.  

Zásoboval tak velké a komplexní laboratoře, jakými byly sonda Galileo (2 zdroje), která startovala v roce 1989 a od roku 1996 studovala Jupiter, jeho prstence i systém jeho měsíců. V roce 2002 sondě došlo palivo u korekčních motorů a navíc se hromadila poškození palubních počítačů vlivem silné radiace. Sonda tak byla v roce 2003 úmyslně zavedena do atmosféry Jupitera a dopadla na tuto planetu. Důvodem tohoto kroku bylo vyloučení rizika, že sonda dopadne na měsíc Europa, který by tak mohl být kontaminován pozemským biologickým materiálem.

Sonda Ulysses (1 zdroj), která startovala v roce 1990, zkoumala činnost Slunce i z pohledu na jeho polární oblasti. Dosažení dráhy, která má velmi velký úhel k ekliptice a umožňuje pohled na polární oblasti Slunce, bylo umožněno těsným průletem kolem Jupitera v roce 1992. Pracovala až do roku 2009, kdy byl její vysílač vypnut. Důvodem byly problémy s udržením paliva korekčních motorů v tekutém stavu před zamrzáním vlivem velmi nízkých teplot.

Jedna z nejtěžších a nejkomplexnějších sond Cassini (3 zdroje), která byla vypuštěna v roce 1997, dosud intenzivně studuje planetu Saturn a systém jeho prstenců a měsíců. Její mise byla prodloužena do roku 2017, kdy by měla být navedena do atmosféry této planety, aby se zabránilo riziku, že dopadne na měsíc Titan, který by mohla kontaminovat pozemským biologickým materiálem. Pro zajímavost lze uvést, že kromě tří radioizotopových generátorů má sonda i 82 tepelných jednotek RHU, které udržují provozní teplotu sondy.

Poslední zdroj modelu GPHS-RTG byl právě ten u sondy New Horisons (1 zdroj). Předpokládá se, že po úspěšném průletu okolo Pluta se podaří sondu navést na dráhu, která umožní průlet kolem ještě jedné trpasličí planety ve vnějších částech Sluneční soustavy. Potom by nejméně do roku 2030 měla zkoumat vnější oblasti Sluneční soustavy.

 

Curiosity, rover, self-portrait, rock, drilling, windjana, waypoint, kimberley - This image is a self-portrait of the Curiosity rover taken from the site with the rover's 'head' down, with rock formations surrounding it and Mount Sharp in the background.

 

Marsovské vozítko Curiosity bylo první, které využilo nový typ radioizotopového generátoru MMRTG. Na obrázku je autoportrét vozítka, které při své cestě na Marsu pořídilo. (Zdroj NASA/JPL-Caltech/MSSS.)

 

Na úspěch těchto zdrojů navázal vývoj menšího typu generátoru, který by vyhovoval i potřebám menších zařízení, jako jsou třeba mobilní laboratoře na povrchu Marsu. Radioizotopový generátor s označením MMRTG (Multi-Mission RTG) obsahuje osm popsaných modulů GPHPS a má elektrickým výkon něco přes 100 We. Tento zdroj je k dispozici od roku 2009 a poprvé a zatím naposledy se úspěšně využil u vozítka Curiosity na Marsu.

Celkově tak radioizotopové generátory elektřiny využilo 27 amerických kosmických sond, které dohromady měly 46 generátorů. Deset z nich pracovalo na zemské orbitě, pět zdrojů bylo použito u lunárních výprav, tři pro výpravy k Marsu a devět sond ke vzdáleným planetám. Z toho 35 generátorů bylo využito pro 18 misí NASA. Kromě NASA tak používaly radioizotopové zdroje ve vesmíru i další americké organizace. Další sondy, včetně zmíněných vozítek Spirit a Opportunity, nesly radioizotopové zdroje tepla. Samotná organizace NASA od družice Nimbus B-1 až po vozítko Curiosity spotřebovala 114 kg plutonia 238. Je třeba zdůraznit, že během celé doby využívání těchto zdrojů se neobjevila žádná jejich porucha. Pokud sonda selhala, bylo to z jiného důvodu

Radioizotopové zdroje měly ve vesmíru ještě Rusko a Čína. Rusko využilo pro produkci elektřiny polonium 210 u vojenských komunikačních družic Kozmos 84 a 90 v roce 1965. Pro dodávky tepla u svých dvou lunochodů použilo také radioizotopový zdroj založený na poloniu 210. To zde bylo ve formě sloučeniny polonia a yttria. Malé radioizotopové generátory s označením Angel a také radionuklidové zdroje tepla založené na plutoniu 238 byly také na ruské sondě k Marsu označované jako Mars-96. Zde byly umístěny malých autonomních jednotkách, které měly provádět geologický průzkum. Jejich tepelný výkon byl 8,5 W a elektrický 0,2 We. Sonda se však kvůli selhání třetího stupně rakety na cestu k Marsu nedostala a shořela v hustých vrstvách atmosféry. Radioizotopové zdroje dopadly nepoškozené do oceánu.

Čína pak využila malé radioizotopové zdroje založené na plutoniu 238 pro svůj měsíční přistávací modul a lunární vozítko „Nefritový králík“. Tyto zdroje umožňovaly zařízení přežít nízké teploty měsíční noci.

 

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/4/46/Yutu.jpg

 

Čínské lunární vozítko Nefritový králík využívalo také k zajištění tepla radioizotopový zdroj (zdroj CNSA/CCT).

 

Problémy se zásobami plutonia 238

 

V současnosti má NASA pouze 35 kg plutonia 238. Tento umělý radionuklid se přestal ve větším množství v USA vyrábět v roce 1988, kdy se zastavila jeho produkce v zařízení Savannah River v rámci odstoupení od výroby jaderných zbraní. O čtyři roky později sice dostala NASA menší množství tohoto materiálu z Ruska, ale to situaci s nedostatkem tohoto materiálu nevyřešilo a dnes je stav opravdu kritický. Je ještě možné nějaké plutonium 238 koupit v zahraničí, ale jeho celosvětové zásoby jsou jen okolo několika málo desítek kilogramů a ubývají.

Je také třeba vzít v úvahu, že plutonium 238 se postupně rozpadá a kvalita zmíněných 35 kg, které v současné době USA mají, jsou podle jejich stáří velmi různá. Pouze 17 kg by se dalo bezprostředně použít. Zbývajících 18 kg by bylo potřeba vyčistit a doplnit čerstvým plutoniem 238.

Nejlepší způsob pro produkci plutonia 238 je využití intenzivního zdroje neutronů, například reaktoru. V tomto případě je nejčastější postup přípravy tohoto izotopu využití neptunia 237, které je ozářeno intenzivním tokem neutronů. Toto neptunium vzniká v jaderných reaktorech dvěma typy reakcí. Prvním je dvojnásobný záchyt neutronu na uranu 235, kdy napřed vznikne uran 236 a pak uran 237. Poločas rozpadu alfa uranu 236 je 23,4 milionů let. Další možností je vyražení neutronu z uranu 238 neutronem. Poměr mezi těmito reakcemi je dán typem reaktoru, mírou obohacení paliva uranem 235 a také spektrem neutronů, tedy tím, zda jde o reaktor rychlý nebo klasický. Uran 237 vzniklý ve zmíněných případech se s poločasem 6,75 dne rozpadá přeměnou beta právě na neptunium 237. To má poločas rozpadu 2,14 milionů let. Dlouhý poločas rozpadu má už jen neptunium 236 (1,5 milionů let) a 235 (396 dní), všechny ostatní izotopy je mají nejvýše v řádu jednotek dní. Izotopy uranu 235 a 236 se však rozpadají samovolným štěpením a rozpadem alfa, které nevedou na neptunium 235 a 236. Získané neptunium 237 je tak poměrně izotopicky čisté.

Velké množství neptunia 237 se nahromadilo jako vedlejší produkt při výrobě jaderných zbraní. Neptunium se chemicky vyseparuje od ostatních chemických prvků. Oddělení jednotlivých jeho izotopů by bylo velmi náročné, ale jak bylo zmíněno, produkuje se v reaktoru dominantně neptunium 237.

Pro ozařování s cílem získat plutonium 238 se využívají terče z oxidu neptunia. Je potřeba mít speciální reaktor s velmi intenzivním tokem neutronů a specifickými možnostmi ozařování. Pokud neptunium 237 zachytí jeden neutron, vznikne neptunium 238, které se beta přeměnou s poločasem rozpadu 2,1 dne mění právě na plutonium 238. Pokud zachytí postupně dva neutrony, vznikne neptunium 239, které se přeměnou beta s poločasem rozpadu 2,4 dne mění na plutonium 239. Izotop plutonia 239 může vzniknout i záchytem neutronu na plutoniu 238. Plutonium 238 má poločas rozpadu zmiňovaných 88 dní a plutonium 239 pak 24 110 let. Neptunium 237 se v současnosti uchovává ve formě oxidu neptuničitého v laboratoři INL (Idaho National Laboratory). Tam se také ozařuje v reaktoru ATR (Advanced Test Reactor).

V současnosti se provádí v USA příprava terčů z neptunia i vyčištění ozářeného materiálu v laboratoří ORNL (Oak Ridge National Laboratory) v Oak Ridge. V této laboratoři je i druhý reaktor, který je možné využít pro ozařování neptunia. Jde o reaktor HFIR (High Flux Intensity Reactor). Plutonium se dá chemicky oddělit od neptunia i dalších prvků. Nedá se však jednoduše oddělit izotop plutonia 238 od jiných izotopů téhož prvku. Izotopové složení plutonia závisí na přesném průběhu produkce, ale typické složení pro produkci v Savannah River bylo: 83,5 % plutonia 238, 14,0 % plutonia 239, 2,0 % plutonia 240, příměs plutonia 241 a 242 byla menší než procento. Přepracování plutonia do formy oxidu a výroba tablet pro GPHS nebo LWRHU se dělala v laboratoři LANL (Los Alamos National Laboratory). Aby se omezila produkce plutonia 239, v jedné ozařovací kampani se přemění pouze 10 % neptunia 237.

 

 

Tableta plutonia 238 (zdroj LANL).

 

Snaha o řešení situace

 

Jednou z cest k řešení situace s nedostatkem plutonia 238 měl být vývoj nových radioizotopových zdrojů využívající místo termočlánku Stirlingový motor. Zařízení označované jako ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) by mělo mít lepší účinnost a díky tomu by pro stejný výkon stačilo jen čtvrtinové množství plutonia. (Efektivita termočlánku je zhruba 7 %, efektivita Stirlingova motoru 30 %) Výhodou je taková jednotka i v chladných místech sluneční soustavy, protože produkuje méně tepla a méně ovlivňuje měření. Na druhé straně má i své nevýhody. Základní je, že na rozdíl od termočlánku obsahuje pohyblivé části. Zdroj je tak daleko zranitelnější a je větší pravděpodobnost poruchy. Ta se dá ve vesmíru jen velmi těžko opravit. Pohyb částí motoru také může produkovat chvění, které může narušovat měření některých citlivých přístrojů.

Na vývoji Stirlingova motoru pro radioizotopový generátor elektřiny se pracovalo v laboratoři GRC (Glen Research Center) v Clevelandu. Předpokládaly se dva Stirlingovy motory na jeden generátor umístěné proti sobě. Počítač by koordinoval jejich činnost tak, aby se co nejvíce jimi způsobené otřesy vzájemně kompenzovaly. Tím nejdůležitějším pro jejich misi je spolehlivost. Proto se hlavně na tuto oblast zaměřovaly testy. Zařízení muselo ukázat, že spolehlivě pracuje ve vakuu a dokáže se vyrovnat s otřesy, přetížením, silnými magnetickým a radiačními poli. Organizace NASA vyžaduje vyzkoušení jejich činnosti po jeden a půl násobku jejich předpokládané životnosti ve vesmíru před tím, než je tam pošle. V případě Stirlingova motoru jde o 25 let. První testy začali v roce 2001. Souběžně se testovala řada prototypů, takže v roce 2013 byla nashromážděna kumulovaná celková zkušební doba až 50 let. To do jisté míry umožňuje ocenit jejich dlouhodobou spolehlivost, i když pro jejich nasazení to pořád nebylo dostatečné.

 

 

Práce na Stirlingových jednotkách (NASA).

 

V druhé polovině roku 2013 však NASA projekt vývoje nových radioizotopových zdrojů využívajících Stirlingovy motory pozastavila. Je to důsledkem snižování rozpočtu této organizace. Její vedení uvážilo, že není nejnutnější vývoj zařízení, které bude sice efektivnější, ale nahrazuje již existující dobře fungující zdroj. V roce 2015 se však znovu začalo připravovat dokončení testů prototypů. Pokud budou úspěšné, tak chce NASA tento typ radioizotopového generátoru dokončit.

Pracuje se také na obnovení výroby plutonia 238. První testovací nové plutonium se získalo právě v roce 2013 v Laboratoři ORNL v Oak Ridge (Oak Ridge National Laboratory) v Tennessee. Celý předpokládaný cyklus výroby byl popsán v předchozí části článku. Zatím se však jednalo jen o velmi malé množství. Postupně by se mělo dosáhnout toho, že se bude produkovat zhruba 1,5 kg plutonia 238 ročně. Existují dva hlavní problémy, které omezují množství a prodlužují dobu výroby potřebného množství plutonia 238. Prvním je velmi omezená velikost míst, kde se dá terč z neptunia ozařovat. Předpokládá se využití dvou již jmenovaných speciálních výzkumných reaktorů HFIR  a ATR specializovaných na produkci potřebných radionuklidů a testy. V obou případech je však možné ozařovat jen relativně malé množství neptunia.

 

 

Aktivní zóna reaktoru ATR v laboratoři INL. Velice pěkně je vidět modré čerenkovovo záření produkované elektrony z beta rozpadu, které se pohybují ve vodě rychlostí větší než je rychlost světla ve vodě (zdroj INL).

 

Druhým hlavním problémem je, že vyprodukovat plutonium 238 ozářením neptunia 237 neutrony nestačí. Po ozáření neptuniového terče je třeba počkat řadu dní, než se rozpadnou krátkodobé radionuklidy a aktivita ozářeného materiálu dostatečně poklesne. Pak je teprve možné od sebe chemicky separovat plutonium 238 vzniklé beta rozpadem z neptunia 238 a zbývající neptunium 237. Plutonium 238 je připraveno pro výrobu radioizotopových zdrojů a neptunium 237 se může využít pro další výrobu plutonia 238. Celý proces se tak protáhne zhruba na dobu dvou let.

To, jestli se obnovení výroby podaří a v jakém rozsahu, závisí na finanční situaci NASA a také na jejich prioritách ve vesmírném programu. Pokud by se podařilo plánovanou výrobu plutonia 238 rozjet, využilo by se celkově nevelké vyrobené množství ke zlepšení kvality současných zásob a zajistilo by se tak potřebné množství plutonia pro plánovanou misi marťanského vozidla v roce 2020 i další předpokládané starty v následujícím desetiletí i bez využívání Stirlingova motoru. Je však třeba poznamenat, že se nepočítá s žádnou tak velkou výpravou, jako byla třeba sonda Cassini. Na podobný projekt by už dosažitelné zásoby nestačily. Pokud se situace nepodaří vyřešit radikálněji, můžeme v následujících desetiletích na větší mise k velkým planetám nebo k hranicím Sluneční soustavy zapomenout.

Evropa je v tomto případě na tom ještě hůře. Nemá žádné zásoby plutonia 238, ale také žádné zásoby neptunia 237, ze kterého by plutonium 238 mohla vyrobit. V případě, že by chtěla uskutečňovat výpravy do oblastí Sluneční soustavy s využitím vlastních radioizotopových zdrojů, musela by využít jiný radioizotop. Na hledání vhodného radionuklidu pracují laboratoře ve Velké Británii, například NNL (National Nuclear Laboratory), ve velmi úzké spolupráci s přepracovacím zařízením Sellafield. Jako nejvhodnější se v současnosti jeví americium 241. Tento radioizotop se využívá například v požárních hlásičích. Tam je ho však potřeba jen 0,3 mikrogramů na jeden. Na rozdíl od plutonia 238 je jeho poločas rozpadu 432 let, to znamená skoro pětkrát delší. To způsobuje, že aktivita daného množství radionuklidu je menší a pro daný výkon je jej potřeba více. Jestliže pro sondu New Horizons bylo potřeba zhruba 11 kg plutonia 238, tak americia 241 by bylo potřeba 40 kg. Ovšem plutonium tvořilo pouze 2,6 % hmotnosti celé sondy. Pokud by zde bylo americium, tak by šlo o 9,5 % a to by nepředstavovalo problém. Navíc by se radikálně zvýšila životnost napájecího systému. Jeho výkon by klesal daleko pomaleji. Předpokládá se, že u sond Voyager byl původní výkon 400 W. Nyní, po zhruba 38 letech, je už jen 250 W a předpokládá se, že po roce 2025 už nebude stačit k napájení sondy. Také sonda New Horizons bude fungovat zhruba jen do roku 2030, pak už nebude mít dostatek elektřiny. V případě americia 241 by napájení v pohodě vydrželo celé století a z této strany by pro velmi dlouhodobou činnost sond i lety do extrémních vzdáleností a dlouhodobý průzkum okraje Sluneční soustavy neplatilo žádné omezení. Jistou nevýhodou je, že americium 241 je kromě alfa i gama radioaktivní a gama radiace se hůře stíní. Je třeba zmínit, že studium vlastností americia 241 a možností jejich využití pro vesmírné aplikace se prováděly i ve zmíněné laboratoři Mound v Ohiu.

 Americium se hromadí ve vyhořelém jaderném palivu zvláště záchytem neutronů na plutoniu 239 a přeměnou beta plutonia 241 na americium 241. Zase by nešlo o čistou izotopickou směs, ale byly by tam i příměsi dalších americií. V principu jej má Evropa zásoby několik tun. Navíc by se jednalo o využití materiálu, který je v současnosti odpadem. Zpracováním vyhořelého paliva a separaci transuranů provádějí Velká Británie (závod Sellafield) a Francie (závod Le Hague).

 

http://i.space.com/images/i/000/049/126/original/pluto-false-color-new-horizons.jpg?1438030358

 

Snímky trpasličí planety Pluto pořízené sondou New Horizons budou na dlouhou dobu poslední, lidstvo ztratilo schopnost vysílat sondy do těchto oblastí. Snímek Pluta ve falešných barvách ze 14. července 2015. (Zdroj NASA/JHUAPL/SwRI.)

 

Budoucnost jaderných zdrojů ve vesmíru

 

V současnosti má NASA takové zásoby plutonia 238, že může pro příští mise poskytnout tři zdroje typu MMRTG, které každý potřebuje 4,8 kg tohoto materiálu. Jeden z nich už je zadaný pro budoucí marsovské vozidlo, které by mělo startovat v roce 2020. Předpokládá se využití zdroje, který byl připraven jako náhradní pro projekt Curiosity. Nové marsovské vozidlo by mělo být Curiosity velmi podobné. Půjde však o velmi sofistikovanou biologickou laboratoř, která bude hodně zaměřena na hledání života na Marsu nebo známek života v minulosti. Přistát by měl v kráteru, který by měl být v minulosti jezerem. Zároveň by měla nashromáždit soubor vzorků pro jejich případnou dopravu na Zemi.  Jde o jednu z misí, která by měla získat znalosti potřebné pro cestu astronautů na Mars a pobytu na něm. Byl již sestaven seznam přístrojů, které budou na palubě této laboratoře.

Další projekty, které by využily radioizotopové zdroje, zatím nejsou určeny. Velké projekty, které měly letět k velkým planetám, jako byla sonda k Jupiterově měsíci Europa, byly odvolány a nejsou v plánu. Je dost pravděpodobné, že je to dáno i tím, že nelze zaručit, že by potřebný radioizotopový zdroj byl k dispozici. Vždyť sonda Cassini potřebovala 33 kg plutonia 238.

Docela deprimující je tak představa, že v současné době lidstvo ztratilo schopno vyslat sondu podobné Cassini k Saturnu, více než dvou vozidel na Mars a není schopno zajistit zásobování elektřinou pro větší laboratoř na Měsíci či na Marsu. I kdyby se podařilo obnovit produkci podle popsaných plánů NASA, bylo by potřeba pro výrobu zásoby pro jednu sondu Cassini desítky let.

Bez radikálního kroku ve formě nového reaktoru a následného zařízení schopného z neptunia 237 vyrábět a čistit plutonium 238 ve větším množství si opravdu nelze představit větší přítomnost sond a laboratoří na Měsíci, Marsu a ve vzdálených oblastech Sluneční soustavy. Další cestou by byl vývoj zdrojů využívajících americium 241 a zajištění dostatečných dodávek tohoto radionuklidu. I v tomto případě to však znamená nutnost vybudovat potřebnou infrastrukturu.

A rozsáhlá potřebná infrastruktura není to jediné, co chybí. Už při současné obnově produkce plutonia 238 ve Spojených státech se naráželo na nedostatek zkušených odborníků a ztráty zkušeností a znalostí. Hledali se a povolávali důchodci, kteří pracovali na přípravě radioizotopových zdrojů v minulosti. V Evropě i Spojených státech je momentálně dlouhodobě útlum v mírovém využívání a vývoji jaderných technologií. Intenzivní protijaderné hnutí vedlo k zastavení rozvoje jaderné energetiky, téměř nedochází k vývoji nových reaktorů a ubývá i výzkumných reaktorů, které mohou například produkovat potřebné radionuklidy pro průmysl, medicínu a další obory lidské činnosti.

V šedesátých a sedmdesátých letech se věřilo, že je lidstvo na cestě k intenzivnímu průzkumu vzdálenějšího vesmíru a na začátku vesmírné expanze. Předpokládalo se, že se budou budovat základny na Měsíci a lidstvo se vypraví na Mars. To by se neobešlo bez intenzivního průzkumu automatů s rozsáhlým přístrojovým vybavením. Intenzivní průzkum automaty se předpokládal i u velkých planet a vzdálenějších oblastí Sluneční soustavy. Proto se intenzivně pracovalo nejen na radioizotopových zdrojích, ale také na jaderných reaktorech pro vesmírné aplikace.

Ukázalo se však, že se důraz na rozvoj vědy a technologií spojených s poznáním vesmíru postupně vytratil a priority se časem dost radikálně změnily. Vzhledem k tomu, že se velikost i počet projektů spojených s průzkumem Sluneční soustavy značně omezily, nutnost velkých jaderných zdrojů, jako jsou reaktory, zmizela úplně a potřeba radionuklidových zdrojů se značně snížila. To nakonec vedlo k současné situací, kterou jsme popsali. Pokud se priority a vize naší civilizace nezmění, nelze očekávat žádný pokrok v potřebách vesmírných technologií. Bez jaderných technologií si nelze představit žádný radikálnější vstup lidské civilizace na jiná tělesa Sluneční soustavy a už vůbec ne proniknutí někam dále. Ovšem, pokud si lidstvo nedá příslušné cíle a nezačne s velkými projekty v této oblasti, nebude ani tlak na to, aby se takové jaderné technologie vypracovaly.

 

http://voyager.jpl.nasa.gov/spacecraft/images/spacecraft_highres.jpg

 

Bylo by dobré, aby sondy Voyager za hranice Sluneční soustavy za průzkumem mezihvězdného prostoru následovaly i další sondy (zdroj NASA).

 

V Evropě ani Spojených státech zatím nic nenasvědčuje tomu, že by se zde chtěli lidé nějak radikálněji do vesmíru vrátit. Daleko větší snahu je vidět v Číně. Ta se začala intenzivně zajímat o Měsíc. Ovšem, stále je hodně daleko za úrovní, která byla dosažena ve Spojených státech už před půl stoletím a je otázka, kdy se Číňanům podaří tuto úroveň dosáhnout a překročit. A jestli jim snaha o poznání vesmíru a technologický rozvoj zůstane dlouhodoběji. Určitou výhodu pro rozvoj kosmických jaderných technologií zde bude v tom, že Čína intenzivně rozvíjí jadernou energetiku a zahájila velmi rozsáhlý výzkum v oblasti jaderných reaktorů čtvrté generace různých typů a také zpracování vyhořelého paliva a transmutace i využití transuranů. Stejně tak se tlačí na vedoucí pozici v oblasti termojaderné fúze.

  Aby se situace změnila, je třeba co nejsrozumitelněji lidem a hlavně mládeži ukázat, že poznávání vesmíru i případná expanze lidstva ven ze Země může být zajímavým a smysluplným cílem. A jsem rád, že takovou záslužnou činnost dělá dlouhodobě i Astropis a přeji mu v tom hodně úspěchů.

 

 

V Řeži 25. srpna 2015


Zpet