Astronomie

Článků v rubrice: 109

Role plutonia při výzkumu vesmíru

Po více než 18 miliardách kilometrů od domova opustila sonda Voyager-1 sluneční soustavu. Pokud její přístroje budou fungovat, vstoupí do mezihvězdného prostoru. Dlouhou životnost sondy, která putuje vesmírem již 35 let, umožnil izotop plutonia 238. Jaderný rozpad při štěpení jader uvolňuje teplo, které se přeměňuje na elektřinu potřebnou pro přístroje sondy. Odborníci se domnívají, že Voyager-1 bude zasílat údaje ještě dalších deset let.

Klíčovou úlohu při kosmických misích daleko za sluneční soustavu, tedy tam, kde se nedají použít sluneční panely, hraje izotop 238Pu už od 60. let minulého století. Na tomto izotopu byly závislé sondy Galileo, Pioneer, Voyager a Cassini. Navzdory jejich úspěchům se zdá, že tento druh kosmických misí se stane minulostí, protože produkce 238Pu byla zastavena již před několika desetiletími a jeho zásoby u kosmických agentur se rychle snižují. Bez dodávek čerstvého 238Pu bude průzkum kosmu za sluneční soustavou patrně ukončen. Problém spočívá v tom, že 238Pu nelze snadno a lacino vyrobit, a že obnovení jeho produkce přijde cca na 100 milionů dolarů a bude trvat několik let. Ačkoliv NASA a americké ministerstvo energetiky (US DOE) s obnovením výroby souhlasí, Kongres odmítá poskytnout potřebné prostředky. Na pořadu dne je ale jiné řešení.

Vyřeší to soukromý průmysl?

V březnu 2012 proběhlo zasedání NASA, na němž fyzici z Center for Space Nuclear Research (CSNR) v Idaho Falls navrhli radikální řešení, které by uspokojilo všechny zúčastněné strany. Řešení má být rychlejší, čistší, levnější a nabídne provoz na komerční bázi, což vyhoví nejen potřebám NASA, ale přinese i zisk. Převedení výroby 238Pu do komerční sféry by z hlediska veřejných výdajů bylo snadnější. Kritici ale namítají, že by mohly vzniknout bezpečnostní problémy. Plutonium je jednou z nejjedovatějších látek na světě, je silným zdrojem alfa částic a je nebezpečné při vdechování. Domnívají se proto, že by „technologii studené války“ měla nahradit technologie nová. Izotop 238Pu produkuje teplo emitováním alfa částic. Poločas jeho rozpadu je 97 let, takže se jedná o pomalý rozpad. Každý gram 238Pu v radioizotopovém termoelektrickém generátoru produkuje přibližně 0,5 W. NASA každoročně používá pro své výzkumy v průměru několik kilogramů 238Pu.

 

Izotop pro jaderné bomby

Izotop plutonia 238 ani jeho bratranec – štěpitelný izotop 239Pu – se v přírodě nevyskytují. Vznikl v produkčních reaktorech vyrábějících jaderný materiál pro jaderné bomby. Jeho produkce byla ukončena v roce 1988. Až do roku 2009 USA kupovaly 238Pu v Rusku, ale i tam jeho zásoby ubývají. Podle zprávy z roku 2009 má NASA k dispozici asi 5 kg izotopu, což vystačí do konce současného desetiletí. Pokud US DOE obdrží povolení, mohly by být do roku 2018 k dispozici ročně 2 kg 238Pu, což by obnovilo zásoby NASA. Není ale pravděpodobné, že k tomu budou potřebné finanční zdroje. NASA proto počítá s tím, že by se sama podílela na financování obnovené linky na výrobu 238Pu a přislíbila 14 milionů dolarů na vypracování studií a zahájení prací, pravděpodobně v Oak Ridge National Laboratory v Tennessee. Celkové náklady se mají vyšplhat na 150 milionů dolarů.

 

Možné metody výroby 238Pu
Konvenční výroba 238Pu zahrnuje dávkový způsob výroby, kdy se do reaktoru vkládají jednotlivé dávky 237Np, které jsou ozařovány neutrony po dobu až jednoho roku. Poté se vzorek čistí a 238Pu se odděluje od jiných štěpných produktů.

Na zasedání NASA v březnu 2012 navrhl Steven Howe z CSNR jinou, jednodušší a lacinější metodu získání 238Pu. Jedná se o cívkou opatřené potrubí, které by vedlo okolo aktivní zóny reaktoru. Potrubím by se kontinuálně pohybovaly malé kapsle obsahující několik gramů 237Np, které by v reaktoru setrvaly jen několik dní. Po průchodu potrubím se vzniklé 238Pu odebere a zbývající 237Np se opět vloží do kapsle pro další cyklus. Při každém průchodu se asi 0,01 % 237Np přemění na 238Pu, takže k získání 1 kg 238Pu je třeba cyklus tisíckrát opakovat.

Tento způsob výroby má některé výhody, včetně kratší doby ozařování a vzniku menšího množství štěpných produktů. To usnadňuje následné chemické separační procesy a snižuje množství radioaktivních odpadů. Navíc lze využít i menší reaktory než jen velké v národních laboratořích. Tým pracovníků CSNR pracující na této koncepci již získal 100 000 dolarů k ověření technologie a předložil návrh na vybudování prototypové linky. Howe se domnívá, že všechno by se dalo zvládnout za 3 roky za 50 milionů dolarů. Každý rok by bylo možno získat 1,5 kg 238Pu. V případě, že by 1 kg 238Pu stál 6 milionů dolarů, což je méně než požaduje Rusko, byl by tento proces ekonomicky výhodný i pro privátní podnikání. Vedle komerčních letů do vesmíru by se i produkce 238Pu mohla stát předmětem soukromého podnikání.

Jaké jsou námitky a alternativy?

Obnovení výroby 238Pu však nemá jen své příznivce. Tento izotop je vysoce toxický a existují obavy z havárie při startu rakety. V roce 1964 došlo k poruše navigačního satelitu amerického námořnictva a k rozptýlení 1 kg 238Pu do atmosféry planety. Proto byly kontejnery obsahující 238Pu zdokonaleny. Samotné 238Pu není vhodné k výrobě jaderných zbraní, ale 237Np ano. Z toho důvodu by se nový výzkum měl zaměřovat na využití sluneční energie i pro lety ke vzdáleným planetám.

 

Juno na „dálkové Slunce“

Prvním příkladem možnosti využití sluneční energie i ke vzdáleným planetám je sonda Juno, kterou v srpnu 2011 NASA vyslala k Jupiteru. Sonda využívá 3 deset metrů dlouhé sluneční panely k dodávce energie potřebné pro provoz. Podle vyjádření NASA z roku 2007 nelze však vyloučit ani sluncem poháněné sondy vysílané dále než je Jupiter. K tomu jsou ovšem zapotřebí nové sluneční články, které se musí vypořádat s extrémními kosmickými podmínkami. Pokud se podaří i dále snižovat váhu a náklady u slunečních článků a pokud se podaří snížit i potřebný příkon sond na méně než 300 W, pak by sonda využívající sluneční články o ploše 250 m2 mohla doletět až k Uranu. K 238Pu i sluneční energii však existuje ještě jiná alternativa.

 

Kombinace lithiového paliva a CO2 z atmosféry Venuše
Michael Paul z Laboratoře aplikovaného výzkumu Pennsylvánské státní univerzity navrhuje použít kombinaci lithiového paliva a CO2 z atmosféry Venuše. Jejich spálením vznikne tepelná energie pro Stirlingův motor, což je zařízení využívající teplotní rozdíly k pohonu pístu propojeného s generátorem. Tento systém by byl provozován na vysoké energetické hladině a mohl by být upraven pro práci na Titanu, Marsu, případně na trvale odvrácené straně jižního pólu Měsíce. Paul věří, že po dalším vývoji by bylo možné technologii uplatnit již do roku 2020. Současně ale přiznává, že by takové sondy pracovaly jen po zlomek doby ve srovnání se sondami vybavenými plutoniovým zdrojem energie.

Vývoj alternativních technologií k 238Pu směrem k lehčím a efektivnějším slunečním článkům nebo účinnějším Stirlingovým motorům by jistě znamenal i přínosy pro využití na Zemi. Inženýři již dnes zkoumají způsoby přeměny práškového kovu na palivo pro motory kosmických zařízení. Nová technologie by současně mohla pomoci rozšířit i podmořské výzkumy na Zemi. Teprve budoucnost ukáže, zda pan Howe uspěje při své argumentaci pro další využívání 238Pu. Boj o energii pro pohon kosmických sond tedy zdaleka ještě nekončí.

Podle: Anne-Marie Corly: So long plutonium. New Scientist, 2012, č. 2877, s. 46 – 49.

Zkrácený překlad:

Václav Vaněk
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Alfred Werner a milník v dějinách chemie

K letošnímu stému výročí úmrtí zakladatele komplexní chemie Alfreda Wernera přinášíme jeho životopis i zajímavosti o vzniku nového vědního oboru anorganické chemie.

Profesoři laserové fúze - Bruecker a Siegel

O soukromém úsilí v oblasti termojaderné fúze jsme již psali vícekrát. O prvním „soukromníkovi“ zatím ani jednou. Poslyšte příběh, který měl dva konce. Dobrý a špatný. Vůbec prvními fúzními podnikateli byli Americký fyzik Keith Brueckner a podnikatel Kip Siegel.

Den otevřených dveří na MatFyz

dne 21.11.2019 pořádá Matematicko-fyzikální fakulta UK tradiční Den otevřených dveří. Připravuje opět bohatý program, který probíhá po celý den v budově Matfyzu na Malostranském náměstí 25. Mnoho inspirativního nabídne také učitelům fyziky, matematiky či informatiky.

Vakuum jako na měsíci

Specialitou české pobočky firmy Edwards jsou přístroje pro oblast vědeckého vakua. Firma z Lutína jimi zásobuje celý svět. Díky vývěvám fungují nejpřesnější elektronové mikroskopy na světě či supersilné vědecké lasery.

Kvůli milované vědě se nestačil ani oženit

Pokud zalovíme v paměti a vzpomeneme si na školní léta, určitě se nám vybaví v hodinách chemie používaný laboratorní plynový kahan, nesoucí jméno jednoho z největších vědců 19. století, profesora Roberta Bunsena.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail