Možnosti využití jaderné energie v kosmickém prostoru

Jaderná technologie hraje již dlouho dobu důležitou úlohu při významných kosmických misích. Budoucí mise by se ale mohly spoléhat i na jaderné pohonné systémy v mnohem širším spektru aplikací na cestě lidstva ke hvězdám. Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE) uspořádala na jaře virtuální akci na téma Atomy pro kosmos - Jaderné systémy pro výzkum kosmu, které se zúčastnilo 500 odborníků ze 66 zemí. Budoucí interplanetární mise s posádkou budou zcela jistě potřebovat pohonné systémy s mnohem větší účinností, než kterou mohou poskytnout zařízení na bázi toho nejvýkonnějšího chemického pohonu. Pro kosmické mise, které potřebují velké elektrické výkony, například mise s posádkou na Mars, by mohl být konkurenční alternativní volbou pohonu i štěpný nebo dokonce fúzní jaderný reaktor.

Jaké jsou možnosti využití jaderných pohonů v kosmu? 

Jednou z nich je jaderný tepelný pohon NTP (Nuclear Thermal Propulsion). V tomto případě jaderný štěpný reaktor zahřívá pohonnou kapalinu, například vodík, mění ji na plyn, který expanduje a přes trysku vytváří tah pro pohon kosmické lodě. Tento jaderný pohon by oproti chemickému mohl zkrátit cestu k Marsu o 25 %. 

Jinou variantou je jaderný elektrický pohon NEP (Nuclear Electric Propulsion), kdy se tepelná energie z reaktoru mění na energii elektrickou. Při této metodě je tah sice menší, ale je nepřetržitý. Protože účinnost paliva je zde mnohem větší, dosahují se vyšší rychlosti, což znamená, že by se cesta k Marsu zkrátila o 60 %. 

Třetí možností je přímý fúzní pohon DFD (Direct Fusion Drive), kdy se energie nabitých částic produkovaných při fúzních reakcích přímo používá k pohonu. Systém DFD je o několik řádů efektivnější než u jiných pohonných systémů. Jeho výhodou je to, že zkracuje dobu cestování a umožňuje zvýšit také užitečné zatížení. 

Teorie, která již je dlouho praxí 

Satelity samozřejmě nezbytně vyžadují vlastní zdroj energie. Pro satelity na oběžné dráze Země je běžným způsobem výroby energie fotovoltaika. Intenzita slunečního světla se však mění nepřímo úměrně s třetí mocninou vzdálenosti od Slunce, což znamená, že sonda v okolí Jupiteru zachytí pouze několik procent slunečního světla, které by zachytila na oběžné dráze Země. Solární panely by musely být tak obrovské, že by byly zcela nepraktické. Byly tedy vyvinuty alternativní zdroje energie a ohřevu, které jsou na sluneční energii zcela nezávislé. Jedna z alternativ zahrnuje použití jaderných energetických systémů (Nuclear Power Systems, NPS). Ty se spoléhají na použití radioizotopů a jsou obecně označovány jako radioizotopové termoelektrické generátory (RTG), termoelektrické generátory (TEG) a radioizotopové ohřívací jednotky (RHU). Používají se na kosmických lodích již více než 40 let. Příklady použití těchto zdrojů energie na amerických sondách v tomto období zahrnují mise Apollo, Viking, Pioneer, Voyager, Galileo, Ulysses a Cassini. 

Pioneer 10 

Užitečnost RTG nejlépe ilustruje Pioneer 10, což byla první sonda využívající energii dodávanou výhradně z radioizotopu (²³⁸Pu). Pioneer 10 byl vypuštěn z mysu Kennedy dne 2. března 1972. Byla to první meziplanetární sonda, která úspěšně navigovala pásem asteroidů před setkáním s Jupiterem a Saturnem. Byla vybavena řadou přístrojů pro měření takových jevů, jako je sluneční vítr a magnetická a radiační pole obklopující Jupiter. Nic z toho by nebylo možné bez použití radioizotopových generátorů k poskytování elektrické energie a udržování teplot v provozním rozsahu přístrojů. Použití vesmírných NPS však není omezeno na poskytování tepelné a elektrické energie. Značný výzkum se věnuje aplikaci jaderného tepelného pohonu (NTP). Takové pohonné jednotky budou schopny přenést na oběžnou dráhu Země podstatně těžší náklad, než je v současnosti možné při použití konvenčních chemických pohonných látek. 

Kdy se hodí který druh energie? 

Průzkum vesmíru vyžaduje energii v mnoha fázích: pro počáteční start kosmického prostředku a pro následné manévrování; pro přístrojové a komunikační systémy; pro ohřev nebo chlazení životně důležitých systémů; pro osvětlení; pro experimenty a mnoho dalších použití, zejména v misích s posádkou.

Doposud se ke startu používaly chemické raketové trysky. Bylo by prima, kdyby veškerou další energii dodávaly solární panely, protože slunce je dostupné a zdarma. V mnoha případech se však mise může odehrávat ve tmě. Vzhledem k rozptýlené povaze solární energie není možné zajistit rychlé použití velkého množství energie. Pokud je satelit v dosahu slunečního záření,  je solární energie nejúčinnější pro úrovně výkonu přibližně 10 kW - 50 kW. Jaderné reaktory mohou poskytovat téměř neomezenou energii po téměř jakoukoli dobu. Nejsou však použitelné pro aplikace pod 10 kW. Radioizotopy jsou nejvhodnější pro nepřetržitou dodávku nízké úrovně (do 5 kW) výkonu nebo v kombinacích až do mnohonásobku této hodnoty. Z tohoto důvodu se, zejména u dlouhých meziplanetárních misí, upřednostňuje použití radioizotopů pro komunikaci a napájení experimentů. 

Obrázek nad článkem ukazuje režimy možné použitelnosti různých druhů energie pro vesmírné aplikace. Po krátkou dobu, do několika hodin, mohou chemická paliva poskytnout výkon až 60 000 kW, ale po dobu jednoho měsíce je použití omezeno na kilowatt nebo méně. (Zdroj: Los Alamos National Laboratory) 

Teplo 

Teplo uvolněné z jakéhokoli jaderného procesu se může buď přeměnit na elektřinu, nebo přímo použít k vytápění nebo chlazení. Klasifikace potenciálních vesmírných aplikací jaderné energie je uvedena v tabulce. Jadernými tahouny pro současné vesmírné mise jsou RTG a TEG poháněné radioizotopy, které poskytují elektřinu prostřednictvím statické (a tedy spolehlivé) přeměny na výkonových úrovních až půl kilowattu nebo více při kombinaci více modulů. Jaderné reaktory již byly ve vesmíru použity, jeden z USA v roce 1965 (SNAP-10A) úspěšně dosáhl oběžné dráhy. Bývalý Sovětský svaz běžně létal na kosmických lodích poháněných reaktory: 34 jich bylo vypuštěno před rokem 1989. Jak Sověti tak USA shodně uváděli, že výzkum vesmíru je „nemyslitelný bez použití jaderných zdrojů energie pro tepelnou a elektrickou energii“. 

Tabulka typů jaderných zařízení pro vesmírné aplikace (Zdroj: Los Alamos National Laboratory)

Jádro je efektivnější 

Využití jaderné energie ve vesmíru je více než jen jednou z několika energetických možností. Volba jaderné energie může učinit mise do hlubokého vesmíru možnými a mnohem efektivnějšími. Například při srovnání typické mise na Mars s chemickým pohonem a mise využívající jaderný pohon by chemicky poháněná mise trvala celkem 919 dní a zajistila pobyt na planetě 454 dní. Mise s jaderným pohonem by byla dokončena za 870 dní, přičemž na planetě by umožnila strávit 550 dní. Cesta tam a zpět by trvala o 30 % méně času. 

Vyhlídky na použití jaderných energetických systémů ve vesmíru jsou určeny jejich výhodami oproti konvenčním fotovoltaickým a jiným zdrojům energie: 

1. a) Nezávislost na vzdálenosti ke Slunci a orientaci vzhledem ke Slunci.
2. b) Kompaktnost (10MW solární pole by ve vzdálenosti Marsu vyžadovalo solární panely o ploše 68 000 m² a u Jupiteru 760 000 m² - což není realizovatelné).
3. c) Lepší parametry hmotnosti a velikosti při použití na kosmických lodích bez posádky, počínaje úrovní výkonu několika desítek kilowattů.
4. d) Schopnost poskytnout úroveň výkonu dvakrát až třikrát vyšší s hmotností NPS relativně slabě závislou na zlepšení výkonu.
5. e) Odolnost vůči radiačním pásům Země.
6. f) Možnost kombinace jaderné energie s elektrickými pomocnými motory, aby se dosáhlo nejvyšší účinnosti pro tah. Vybudování energetických/pohonných systémů na tomto základě, aby bylo možné vypustit na oběžnou dráhu dva až třikrát větší užitečné zatížení, než jaké je možné s konvenčním chemickým pohonem. Toho lze dosáhnout při dodávce 50 kW - 100 kW elektrické energie a více pro palubní přístrojové vybavení po dobu 10 let nebo déle. 

Zkušenosti nashromážděné při vývoji vesmírných jaderných energetických systémů, elektrických trysek a jaderných tepelných systémů by v budoucnu umožnily řadu kvantitativně nových průzkumných misí, jako je nepřetržité radarové sledování za každého počasí a globální telekomunikační systémy, včetně globálních systémů pro komunikaci s pohyblivými objekty. V budoucnu vesmírné NPS a kombinované jaderné a pohonné systémy (NPPS) s úrovní elektrického výkonu několik stovek kilowattů umožní takové dlouhodobé vesmírné mise, jako je globální monitorování životního prostředí, výroba v zařízeních ve vesmíru, dodávky energie pro lunární a marťanské mise a další. 

Kolik energie je potřeba 

Jako měřítko potřeby energie ve vesmíru uveďme: raketoplán na oběžné dráze potřebuje asi 15 kW, zatímco Mezinárodní vesmírná stanice (ISS) spotřebuje 75 kW. Odhady pro stanoviště na Marsu se pohybují v rozmezí 20 kW - 60 kW (bez pohonu). Základní mise na Mars by vyžadovala asi 10 MW, ale vyšší výkon znamená rychlejší dopravu a tedy kratší cestu. Motor o výkonu 200 MW by tedy mohl teoreticky dosáhnout Marsu za 39 dní. Takový výkon je dostupný pouze prostřednictvím pokročilých NPS. 

O budoucnosti jádra v kosmu se vážně jedná 

Budoucí používání jaderných reaktorů si vyžádá řešení nejrůznějších problémů, a to v rámci mezinárodní spolupráce. Těmito problémy se již zabývá například „Vědecký a technický podvýbor OSN pro záležitosti ve vnějším prostoru“ (United Nation´s Office for Outer Space Affairs“), který prohlásil, že bude odpovědností vlád, aby zajistily, že používání jaderně energetických zdrojů ve vnějším kosmu bude výlučně sloužit mírovým účelům a že bude zakázáno umisťovat na zemské oběžné dráze jakékoliv objekty nesoucí jaderné zbraně nebo jiné druhy zbraní hromadného ničení. Tento podvýbor přivítal skutečnost, že některé státy a mezivládní organizace již připravují legislativní a regulační nástroje týkající se bezpečného používání jaderných zdrojů ve vnějším kosmickém prostoru.

  Zdroje:

The Role of Nuclear Power and Nuclear Propulsion in the Peaceful Exploration of Space | IAEA World Nuclear News, 21. 2. 2022: Nuclear Power in space is focus of IAEA and UN events