Neztratí naše civilizace schopnost zkoumat vzdálené oblasti vesmíru?

 

Vladimír Wagner

 

Jako jeden z největších vědeckých úspěchů v loňském roce je považován průzkum Pluta pomocí sondy New Horizons. Fotografie z ledového světa, které fascinují nejen odborníky a fandy vesmírných letů, by nebylo možné získat bez zajištění energie pro elektroniku zařízení. A tu dodával radioizotopový termočlánek. Sonda Cassini, která nám přibližuje Saturn, jeho prstence a soustavu měsíců, má dokonce tři radioizotopové generátory elektřiny. Průzkum velkých planet Sluneční soustavy by se bez jaderné energie neobešel. Stejně tak má radioizotopový generátor marsovské vozidlo Curiosity, které prokazuje existenci velkého množství vody na Marsu v jeho minulosti. Zdroje tepla využívající rozpad radionuklidů musely mít i lunochody a přístrojové stanice v místě přistání modulů Apollo. Jen ty jim umožnily fungovat v podmínkách měsíční noci. Že se lidská přítomnost na Měsíci a na Marsu neobejde bez těchto zdrojů, víme i z řady sci-fi filmů. Například ve filmu Marťan by se hlavní hrdina bez takového zdroje nezachránil. Potřebujeme je zkrátka všude, kde je vyloučená nebo silně omezená možnost využití solárních článků.

Film, který na mě v životě udělal největší dojem, bylo dílo Stanleye Kubricka 2001 Vesmírná Odyssea. V roce 1968, kdy jsem ji viděl, mi bylo osm let. V té době jsem také sledoval dobývání vesmíru a první přistání na Měsíci, které se uskutečnilo již po zhruba deseti letech po první družici Země. V šedesátých a sedmdesátých se kromě radionuklidových zdrojů vyvíjelo i několik typů jaderných reaktorů i pro použití v kosmu. V té době jsem nejen já věřil, že po prvních krůčcích ve vesmíru se opravdu začne jeho osvojování a že v roce 2000 bude fungovat trvalá základna na Měsíci a uskuteční se již i let k Marsu. Ovšem na přelomu sedmdesátých a osmdesátých let se začaly nálady ve společnosti a její priority měnit. Zájem o poznání vesmíru a rozvoj kosmických technologií začal nejdříve pozvolna a později dramatičtěji klesat. Postupně se začaly rušit plány projektů velkých kosmonautických výprav. Nebylo tak potřeba mít velké zdroje energie a byl zrušen nejen projekt NERVA, který byl zaměřen na vývoj motoru na bázi jaderného reaktoru. Využívání jaderného reaktoru se omezilo na sovětské špionážní radarové družice. Jedině radioizotopové zdroje energie našly uplatnění právě při zmíněných letech do vzdálených končin Sluneční soustavy. Dnes se však dostáváme do situace, že i tyto zdroje ztrácíme schopnost zajistit. Než se na situaci podíváme podrobněji, připomeňme si, jak radionuklidové zdroje elektřiny vypadají.

Radioizotopové generátory elektřiny se skládají ze dvou částí. První je zdroj tepla, který využívá rozpad vhodného radionuklidu. Druhou částí je systém, který přeměňuje tepelnou energii na elektrickou. Radionuklid musí mít v první řadě vhodný poločas rozpadu. Ten určuje dobu, za kterou se rozpadne polovina radioaktivních jader. Pokud je poločas rozpadu příliš krátký, nebude zařízení fungovat dostatečně dlouho. Pokud bude poločas příliš dlouhý, bude malý počet rozpadů za časovou jednotku i produkovaná energie. Důležité jsou i typ rozpadu a energie částic, které se při rozpadu emitují. Čím je vyšší energie, tím je větší produkce tepla na množství jader daného radionuklidu. Velmi výhodný je rozpad alfa, při kterém vylétá 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. Dominantně se ve vesmíru využívalo plutonium 238. Jeho poločas rozpadu 88 let umožňuje zásobovat i velmi dlouhé mise do vzdáleného vesmíru, jako je třeba právě výlet New Horizons k Plutu.

Pro konverzi tepelné energie na elektrickou lze použít různé technologie, například termočlánek, Stirlingův motor nebo některý z typů turbín. Reálně se u kosmických zdrojů elektřiny využíval termočlánek, u kterého se pro vhodnou kombinaci dvojice kovů generuje napětí mezi chladným a horkým koncem.

Vývoj radioizotopových zdrojů založených na plutoniu 238 začal Ken Jordan a John Birden v americké laboratoři Mound v polovině padesátých let. Bylo potřeba najít metody získávání a separace plutonia 238 a také metody bezpečného skladování tohoto materiálu s vysokou aktivitou a produkcí tepla. Plutonium 238 se vyrábělo s využitím neptunia 237 získaného v jaderných reaktorech při produkci jaderných zbraní. Tento izotop má poločas rozpadu dva miliony let a jsou ho dostatečné zásoby. Jeho ozařováním neutrony v reaktoru za specifických podmínek se dá získat zmíněné plutonium 238. 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.

V průběhu let 1959 až 1988 se v laboratoři Mound vyrobilo okolo 300 kg plutonia 238. Postupně se dospělo ke standardizaci přípravy tablet z plutonia ve formě oxidu plutoničitého. Na těchto standardech byly postaveny zdroje sondy, které putovaly do vzdálených míst Sluneční soustavy. Vyvinutý zdroj elektřiny GPHS-RTG (General Purpose Heat Source – Radioisotope Thermoelectric Generator) obsahoval celkem 10,9 kg plutonia 238. Termočlánek umožňoval zhruba 6% účinnost transformace tepelné energie na elektrickou. Počáteční tepelný výkon 4400 W umožňoval dodávat elektrický výkon 240 We. Zásoboval tak velké a komplexní laboratoře, jakými byly sonda Galileo pro studium Jupitera. Ta startovala v roce 1989 a měla dva zmíněné zdroje. Ještě těžší a komplexnější sonda Cassini byla vypuštěna v roce 1997 a stále zkoumá planetu Saturn. Poslední zdroj modelu GPHS-RTG byl právě ten u sondy New Horisons.

V současné době se využívá menší typu generátoru, který je vhodný i pro menší zařízení. Radioizotopový generátor s označením MMRTG (Multi-Mission RTG) vystačí s 4,7 kg plutonia a má elektrický 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.

Jednou z cest pro efektivnější využití existujících zásob plutonia 238 by byla účinější transformace tepelné energie na elektrickou. Z tohoto důvodu se v laboratoři v Clevelandu vyvíjí a od roku 2001 testoval Stirlingův motor pro kosmické aplikace. Zatímco efektivita konverze u termočlánku je zhruba 7 %, u Stirlingova motoru je přibližně 30 %. Vývoj byl pozastaven v roce 2013. Hlavně z důvodů, že vzhledem k nedostatku plutonia 238 a otázce o počtu v budoucnu reálně vyrobených jednotek. Nevědělo se, do jaké míry by se finance do vývoje tohoto zařízení vyplatily. Vzhledem k tomu, že Stirlingův motor obsahuje pohyblivé mechanické části, je potřeba velice pečlivě ověřit jeho dlouhodobou spolehlivost v podmínkách co nejbližších k reálnému kosmickému letu. Je sice snaha se k dokončení vývoje funkčního modelu vrátit, ale otázka, jestli a kdy bude ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) k dispozici, je velmi otevřená.

Plutonium 238 se přestalo v USA produkovat v roce 1988, kdy se odstavil reaktor v Savannah River. O čtyři roky později sice dostala NASA menší množství tohoto materiálu z Ruska. V současnosti však má vesmírná organizace NASA pouze 35 kg plutonia 238 a stav je opravdu kritický. Plutonium 238 se totiž postupně rozpadá a pouze 17 kg by se dalo bezprostředně použít. Z nich je však už 4,7 kg z náhradního zdroje pro Curiosity rezervováno pro připravované nové marsovské vozítko. Půjde o komplexní biologickou laboratoř, která bude hledat známky současného nebo minulého života na Marsu. Zbývajících 18 kg by bylo potřeba vyčistit a doplnit čerstvým plutoniem 238.

Americké organizace pracují na obnovení produkce plutonia 238 ve dvou existujících výzkumných reaktorech. Ty však nejsou pro dané účely příliš vhodné a i v ideálním případě by se mohlo produkovat jen zhruba 1,5 kg plutonia ročně. To stačí pouze k renovaci stávajících zásob. Navíc je po ozařování neptunia v reaktoru třeba čekat zhruba dva roky na snížení aktivity krátkodobých izotopů, než lze přistoupit k chemické separaci plutonia. Finance na práce spojené s obnovou výroby plutonia 238 byly schváleny v roce 2013. A po dvou letech se tak v prosinci 2015 vyrobilo prvních zkušebních 50 g plutonia 238. Je to po dlouhých 37 letech první množství tohoto materiálu vyprodukované v USA. Je to sice velmi malo, ale přesto to znamená alespoň jiskřičku naděje pro obnovu výroby alespoň ve zmíněném rozsahu, který by stačil pro vyčištění a obnovu kvality starých znehodnocených zásob.

I tak je však jasné, že v současnosti i blízké budoucnosti nepoletí do velmi vzdálených částí Sluneční soustavy žádný větší průzkumník. Vždyť sonda Cassini potřebovala 33 kg plutonia 238. Lidstvo ztratilo schopnost vyslat sondu podobnou Cassini k Saturnu, více než dvou vozidel na Mars a není schopno zajistit zásobování elektřinou pro větší laboratoř na Měsíci či na Marsu. Nedostatek plutonia 238 ovlivňuje i výběr budoucích misí NASA. Nejistota okolo toho, zda budou k dispozici radionuklidové generátory, znevýhodňuje sondy do vzdálených oblastí Sluneční soustavy. Protože vývoj a realizace takových projektů je dlouhodobá, má tato situace dopad i na vzdálenou budoucnost.

Je pochopitelně možné postavit nový vhodný reaktor a následného radiochemické zařízení schopného z neptunia 237 vyrábět a čistit plutonium 238 ve větším množství. Lze také uvažovat o jiném vhodném radionuklidu. Takovým by mohlo být americium 241. To má oproti plutoniu 238 delší poločas rozpadu 432 let, takže pro stejný výkon je jej potřeba zhruba pětkrát více. Kromě některých dalších nevýhod má jednu důležitou výhodu. Lze jej získat přímo separací při přepracování vyhořelého jaderného paliva a tak o něm uvažuje evropská kosmická agentura ESA. Ovšem i v tomto případě bude potřeba vyvinout, postavit a hlavně financovat potřebná technologická zařízení.

Při současném postoji evropské a americké veřejnosti k jaderným technologiím a vesmírným letům není příliš pravděpodobné, že by se v blízké době potřebné prostředky našly. I kdyby však byly vyčleněny, zabere budování potřebných infrastruktur v ideálním případě několik let a další doba bude potřeba pro produkci plutonia 238 nebo americia 241 a výrobu radioizotopových generátorů. Velkým problémem je také nedostatek potřebných odborníků. Při obnově plutonia 238 v USA se hledali a povolávali důchodci. V Evropě i USA kvůli postoji veřejnosti upadá jaderná energetika, mizí výzkumné reaktory a nové se nekonstruují. Což má dopad třeba i na výrobu diagnostických radiofarmak. A pochopitelně tak chybí i odborníci.

Je to pro mě těžké, ale musím konstatovat, že měsíční základny, člověk na Marsu i nové roboty u Saturnu či Pluta jsou dnes mnohem vzdálenější, než byly v době, kdy jsem jako osmiletý kluk zíral do televize na Amstrongův malý krok pro člověka, ale velký skok pro lidstvo. A je to dáno hlavně změnou v postoji euroatlantické civilizace k vědě, technologiím a všeobecně k poznávání. Jistou nadějí je v této oblasti postoj Číny, která vyvíjí jak v oblasti kosmických technologií tak jaderné energetiky značné úsilí. Čínský lunochod používal pro zajištění své tepelné pohody právě malý tepelný zdroj na bázi plutonia 238. Čína také vyvíjí několik různých nových pokročilých typů reaktorů a jaderné energetické technologie obecně. Zároveň Čína deklaruje snahu dostat na Měsíc lidi a vybudovat tam základnu. I v případě, že u této vize zůstane, bude však dost dlouho trvat, než se dostane na potřebnou úroveň nejen v jaderných technologiích. Ani radikální skok sice není úplně vyloučen, protože podle mého názoru jsou alespoň měsíční základny a cesta na Mars spíše otázkou rozhodnutí, zda a jak intenzivně je lidstvo opravdu chce. Ale za současného stavu lidské společnosti je velmi nepravděpodobný.

 

V Řeži 10. ledna 2016


Zpet