Bude český reaktor pohánět kosmické lodě?

Průzkum vesmíru potřebuje jadernou energii. Jedině jaderné štěpení totiž dokáže poskytnout spolehlivý, dlouhodobý a přitom kompaktní zdroj energie, který potřebují kosmické lodě i základny na jiných vesmírných tělesech. Česká společnost Stellar Nuclear obdržela grant od Technologické Agentury ČR, aby mohla zahájit výzkum a vývoj mikroreaktoru pro kosmické aplikace.

Vesmír nabízí v podstatě neomezené množství zdrojů. Poskytuje prostor na povrchu jiných planet, jejich měsíců a asteroidů. Nabízí zásoby libovolných surovin, dokonce i těch, které jsou na Zemi velmi vzácné. Najdete v něm všechny prvky potřebné pro život i pro rozvoj technologií. V porovnání s planetou Zemí jsou zásoby surovin jen ve Sluneční soustavě v podstatě nevyčerpatelné.

Vzdálenosti a energie

Jejich plnému využití, které by ušetřilo vzácné pozemské zdroje, ale brání obrovské vzdálenosti, které od sebe jednotlivá vesmírná tělesa oddělují. Energie nutná k přesunu mezi nimi a dopravě surovin na Zemi, nebo ještě lépe hotových výrobků, je veliká. Další omezení představuje spolehlivý zdroj energie pro těžební a výrobní zařízení. Ani pozemské ocelárny se nespoléhají na energii výhradně ze solárních panelů, a těžební zařízení na povrchu Měsíce nebo v pásu asteroidů se bude nacházet ve výrazně složitější energetické situaci.

Řešením je jaderná energie.

Štěpení probíhá spolehlivě za všech podmínek. Na oběžné dráze kolem Marsu jako na asteroidu v hloubi slunečního systému, v mrazivé tmě lunární noci nebo u Saturnových měsíců. Jaderné palivo má vysokou hustotu energie a díky tomu je jaderný zdroj velmi kompaktní. Vhodně navržená aktivní zóna je malá a přitom dovede vydávat energii po více než deset let. Kosmická loď s jaderným pohonem má výhodu v ohromném množství energie, kterou získá bez spálení několika plaveckých bazénů chemického paliva. Díky tomu může unést více užitečného nákladu či vědeckého vybavení, ale hlavně – může být rychlejší. Rychlost zkracuje dobu, po kterou vědci napjatě čekají, než mohou začít provádět svůj vytoužený výzkum. Rychlost znamená dřívější získání poznatků, které mohou vést k plánování dalších misí nebo obohatit lidské poznání. Rychlost je klíčová pro lety s posádkou. Čím kratší dobu stráví astronauté při přeletu mezi vesmírnými tělesy, tím méně jsou vystaveni nebezpečnému kosmickému záření a působení stavu beztíže na jejich těla. Cesta k Marsu se tak stává daleko bezpečnější a tedy proveditelnější.

Projekt RAVEN

Česká firma Stellar Nuclear získala grant od Technologické agentury ČR (TAČR) v rámci programu Théta 2 na podporu aplikovaného výzkumu a inovací v energetice, aby mohla začít vyvíjet malý modulární jaderný reaktor využitelný ve vesmíru. Její projekt se jmenuje RAVEN (A Universal Nuclear Reactor for Propulsion and Surface Applications; univerzální jaderný reaktor pro raketový pohon a povrchové aplikace) a zahrnuje výzkum reaktoru, který bude s menšími obměnami použitelný jak pro pohon vesmírného korábu, tak jako zdroj energie pro marsovskou základnu.

I když se zdá, že reaktor v kosmické lodi a na pláních Marsu jsou dvě odlišná zařízení, ve skutečnosti mají mnoho elementů společných. Na to právě sází Stellar Nucelar – jejím řešením je modularita. Není potřeba vyvíjet dva úplně odlišné reaktory, postačí jen jeden typ reaktoru skládající se z modulů. Podle potřeb se nahradí jen ty části, které jsou odlišné. Například chlazení reaktoru ve vesmíru bez gravitace a atmosféry musí být navrženo jinak, než chlazení na povrchu Marsu, kde atmosféra a gravitace k dispozici jsou. Změny dozná třeba konstrukce biologického stínění, které v případě lodi chrání náklad a posádku před ionizujícím zářením z reaktoru, v případě marsovského reaktoru pak bude sloužit k ochraně obsluhy podobně, jako to dělá biologické stínění v každé pozemské jaderné elektrárně. Aktivní zóna reaktoru ale bude moci být v obou případech v podstatě stejná.

Nové jaderné palivo

Stellar Nuclear se chce zaměřit na vývoj nového typu jaderného paliva. Pro jakýkoliv předmět posílaný do vesmíru je totiž zásadní, aby byl co nejlehčí a nejmenší. To platí i pro aktivní zónu reaktoru. Společnost plánuje prozkoumat možnosti paliva na bázi trikarbidu uranu. Jedná se o velmi tvrdou keramickou sloučeninu uhlíku a uranu (UC₃). V běžných vodou chlazených reaktorech se používá oxid uraničitý (UO₂). O užití karbidů uranu se uvažuje v moderních, plynem chlazených reaktorech čtvrté generace.

Trikarbid uranu se vyznačuje vysokým bodem tání, až 3 000 °C, což umožňuje provoz reaktoru při vysokých teplotách a zlepšuje jeho účinnost. Dále se jedná o sloučeninu s vyšší hustotou uranu, než mají oxidy, pevnou, tvarově stálou, odolnou vůči bobtnání a radiaci a s vysokou tepelnou vodivostí. Všechny tyto vlastnosti dohromady znamenají, že s trikarbidem uranu je možno navrhnout velmi kompaktní aktivní zónu, ve které bude při štěpení vznikat vysoká teplota a množství energie získávané z takovéhoto reaktoru bude vysoké. Což je přesně to, co každá kosmická aplikace potřebuje – hodně energie z malého zdroje.

Ochrana před zářením

Výzkum ale nezůstane jen u paliva. Vedlejším produktem štěpení je nebezpečné ionizující záření, před kterým je třeba ochránit náklad i posádku. Na Zemi jako stínění slouží několik metrů betonu a olova, ale ve vesmíru je potřeba, aby vše bylo co nejmenší a nejlehčí. Stellar Nucelar se zaměří na výzkum kovových a keramických pěn, které by v sobě mohly snoubit pevnost kovu a lehkost pěny. Využití pěny jako stínicího materiálu by mohlo celý projekt výrazně odlehčit při zachování maximální radiační bezpečnosti.

Pěny je ale možno využít i jinde, třeba u výměníku tepla, který předává teplo vznikající v reaktoru sekundárnímu okruhu, kde se transformuje na elektřinu. Porézní kovová pěna by mohla být lehká a zároveň mít vynikající tepelnou vodivost. Protože klasické parní turbíny jsou v kosmu trochu komplikovaná záležitost, bude pravděpodobně k výrobě elektrické energie z tepla využit Stirlingův motor.

Postup projektu v budoucnu

Jak podoba paliva, tak štítu a tepelného výměníku z kovových pěn by měly být v první fázi vývoje dotaženy do formy chráněné užitným vzorem. Česká republika tak bude mít nakročeno k patentu na vlastní typ modulárního jaderného reaktoru se širokým spektrem použití v kosmu i na povrchu jiných planet. Poté by mohla následovat konstrukce samotného reaktoru a jeho vyzkoušení ve vesmíru. Díky jaderným reaktorům budeme k využívání celé Sluneční soustavy zase o krůček blíž.

Poznámka 1:

NTP a NEP – způsoby, jakými může jádro pohánět kosmickou loď

V jaderném reaktoru vzniká štěpnou reakcí ohromné množství tepelné energie. Jak ale může být tato energie použita k pohonu kosmické lodi? Možnosti jsou v zásadě dvě: NTP – Nuclear Thermal Propulsion a NEP – Nuclear Electric Propulsion.

NTP, jaderně tepelný pohon, je přímočařejší. Vyžaduje reaktor pracující při co nejvyšší teplotě. Tato teplota je využita k ohřevu pohonného media, vodíku. Vodík zahřátý na 3 000 °C tryská ven z rakety tryskou a tím raketu pohání. Je to jednoduchá mechanika využívající zákon akce a reakce. Čím vyšší teplotu mají plyny vystupující z kosmické lodi, tím vyšší mají energii, a tím větší jí udělují zrychlení. Protože jaderný reaktor vydrží dodávat energii velmi dlouho, loď může akcelerovat tak dlouho, dokud má k dispozici vodík. Tím dosáhne raketa s NTP velké rychlosti a může v krátké době dorazit k prakticky libovolné destinaci ve Sluneční soustavě.

NEP, jaderně elektrický pohon, je ideální pro dlouhé cesty do vzdálených míst, třeba k Saturnovým měsícům. V NEP pohonu funguje jaderný reaktor úplně stejně jako v klasické pozemské elektrárně. Štěpením vyrábí teplo, které předává chladicímu médiu. V případě kosmických aplikací je tímto mediem vhodný roztavený kov nebo plyn. Teplo je využito ke generování elektrické energie prostřednictvím Strilingova motoru, ale uvažuje se i o použití plynové turbíny. Turbína (anebo Stirlingův motor) roztáčí elektrický generátor, který vyrábí elektřinu. Ta je použita k pohonu vlastní lodi. Urychluje ionty, například jódu nebo xenonu, které tryskají z trysek. Iontový pohon nedodává lodi žádné ohromující zrychlení (nemůžete na to „šlápnout“ jako v nadupaném sportovním autě), ale umožňuje jí zrychlovat celé dny, týdny a měsíce, protože potřebuje jen minimální množství paliva. Nakonec loď také dosáhne vysoké rychlosti. Výhodou je, že loď s sebou musí vézt jen velmi malé množství paliva. Postačí jí jen „láhev“ jódu, v porovnání s obřím vakem vodíku pro NTP anebo celými plaveckými bazény chemického paliva pro klasické chemické motory. Jako bonus má raketa k dispozici stabilní zdroj elektrické energie, využitelné pro vědecké vybavení anebo ke komfortnímu pobytu posádky.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_thermal_rocket

https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_electric_rocket

Poznámka 2:

Jak funguje Stirlingův motor

Stirlingův motor je tepelný stroj s uzavřeným oběhem pracovního plynu. Kromě pístu nemá žádné pohyblivé části, což ho předurčuje pro aplikace v extrémních podmínkách, například v kosmu. Existuje několik typů Stirlingova motoru. V teplé části je pracovní medium ohříváno, rozpíná se a pohání píst. Ten je napojen na zařízení konající užitečnou práci, ať už mechanickou, anebo pohon elektrického generátoru vyrábějícího elektřinu. Píst svým pohybem přesune část pracovního media do chladné oblasti, kde je ochlazováno a tím se jeho objem zmenšuje. Stirlingův motor tedy potřebuje dvě místa, jedno, kde se medium ohřívá, což je typicky reaktor nebo koncentrační bod solární elektrárny, a oblast, kde se medium ochlazuje, což může být prouděním okolního vzduchu, chladicí vody, anebo sáláním infračerveného záření do vakua, pokud se nacházíme v kosmu.

Alfa typ Stirlingova motoru má písty dva, jeden v teplé a druhý v chladné oblasti, přičemž oblasti jsou spolu spojeny potrubím. Stirlingův motor typu Beta má jeden píst umístěný ve válcovitém pracovním prostoru ne zcela na těsno, který převádí pracovní medium mezi teplou částí na jedné straně válce a chladnou na druhé.

Skotský vynálezce Robert Stirling vytvořil svůj tepelný stroj s uzavřeným cyklem roku 1816 jako možnou konkurenci k parním strojům. V současnosti dosahují Stirlingovy motory účinnosti až 40 % a používají se například v parabolických koncentračních solárních elektrárnách.

https://cs.wikipedia.org/wiki/Stirling%C5%AFv_motor

KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Technology) - https://en.wikipedia.org/wiki/Kilopower

 Poznámka 3:

Historie kosmických jaderných raket

I když to možná některé z vás překvapí, jaderné reaktory v kosmu nejsou žádnou novinkou. První z nich vzlétly na oběžnou dráhu Země již v šedesátých letech minulého století. Už před šedesáti lety vypustila Amerika roku 1965 sondu SNAP-10A (Systems for Nuclear Auxiliary Power) s malým jaderným reaktorem, který přes termoelektrický generátor vyráběl elektřinu pro iontový pohon. Jako palivo používal hydrid uranu a zirkonia a byl chlazen eutektickou slitinou sodíku a draslíku. Jeho výkon byl 30 kW. Samotný reaktor měřil v průměru méně než 40 cm. Zatímco USA již žádné další jaderné reaktory do vesmíru neposlaly, SSSR jich na oběžnou dráhu umístil dobrých 40. Většina jich poháněla družice RORSAT (Radar Ocean Reconnaissance Satellite), které měly za úkol monitorovat námořní provoz, zvláště pak lodě NATO a obchodní lodě. Reaktor byl zvolen jako nejvýhodnější forma zdroje energie, protože velké solární panely by jednak působily jako plachta, která by satelity stahovala do atmosféry, jednak by nedodávaly žádnou energii v zemském stínu. Většina těchto satelitů byla po skončení provozu umístěna na takzvanou hřbitovní orbitu ve výšce kolem 1 000 kilometrů.

https://en.wikipedia.org/wiki/SNAP-10A

https://en.wikipedia.org/wiki/US-A

Ohlasy:

„Stellar Nuclear ukazuje celému světu, že je pořád co vymýšlet, když máte motivaci a šikovné lidi. Obojí v Česku máme a je radost vidět, že česká invence nekončí u Dukovan a Temelína. Zabývám se energetikou téměř čtyřicet let a jsem hrdý na to, že jsou v naší zemi pokračovatelé, kteří posouvají dál a dál hranice možného.“ Ing. Jiří Tyc, dlouholetý ředitel divize Temelín firmy ČEZ Energoservis

„Váš záměr se mi fakt hodně líbí, celé je to opravdu úžasný! Když jsem se dozvěděl o tom, co má Stellar Nuclear v plánu, přišlo mi to neuvěřitelné! A navíc firma z Čech?! Hrozně jim fandím a držím palce, ať to dotáhnou do realizace a jejich výrobky pak najdeme po celém známém i neznámém vesmíru. A až poletím na Mars a budu díky jejich reaktoru RAVEN nepřetržitě pařit Starfield, určitě jim napíšu skvělou recenzi!“ Daniel Biskup, kadet Zero G mise a budoucí český astronaut

Odkazy:

Stellar Nuclear - https://www.stellar-nuclear.eu/