Česká energie pro nejmrazivější kouty vesmíru

Sondy zkoumající Sluneční systém potřebují energii. V temnotách měsíčních jeskyní, na prašném povrchu Marsu, v mrazivých hlubinách kosmu, na ledové krustě Saturnových měsíců, všude tam, kam sluneční světlo pořádně nedosáhne, se nemohou spolehnout na solární panely. Energii jim může dodat radioaktivní rozpad prvků. Česká firma Stellar Nuclear se bude zabývat vývojem radioizotopových energetických systémů, které budou dodávat energii celé řadě kosmických misí. Navíc při tom nebude využívat problematické plutonium, ale radioizotopy z vysloužilých lékařských a průmyslových zářičů.

Průzkum Sluneční soustavy začíná nabírat obrátky. Do vesmíru startují další a další mise. Odvážně se vydávají do míst, kam se dosud žádný lidský výtvor nevydal. Smělé plány zahrnují myšlenky na lidské osídlení Měsíce a Marsu, těžbu surovin v pásu asteroidů nebo výzkumné mise k měsícům plynných obrů. Všechny tyto projekty ale budou potřebovat energii. Na oběžné dráze kolem Země postačí sondám pro provoz jejich zařízení a udržení stabilní vnitřní teploty energie z fotovoltaických panelů. Co si ale počít v mrazivých pustinách daleko od Slunce? Již u Jupitera dosahuje intenzita slunečního záření pouhá čtyři procenta toho, jaké dopadá na sondy v okolí Země. Pokud se chtějí průzkumníci vydat ještě dál, k Saturnu a samotným hranicím solárního systému, nemohou záviset na sluneční energii. Sonda navíc potřebuje nejen elektřinu na provoz svých přístrojů, ale také je udržovat na stabilní teplotě. Což při okolních teplotách přibližně minus 180 stupňů není snadné. 

Radioaktivní rozpad – zdroj tepla 

Naštěstí příroda objevila dlouhodobý zdroj tepelné energie už dávno. Je jím rozpad radioaktivních prvků. Při tomto procesu se uvolňuje teplo, které může být využito k ohřevu nebo výrobě elektřiny. Radioaktivní rozpad stál a stále z velké části stojí za vnitřním teplem všech planet ve sluneční soustavě. Jsou ohřívány rozpadem radioaktivních izotopů uranu, thoria a draslíku. Vědci pak tohoto jevu využili v radioizotopových generátorech (RTG - Radioisotope Thermoelectric Generator). Teplo z radioaktivního rozpadu plutonia 238 se pomocí termoelektrického článku přeměňuje na elektřinu. Současně dodává takový článek dost tepla, aby se vnitřní přístroje kosmické sondy udržely na provozní teplotě, a tedy funkční. RTG poháněly takové ikonické neohrožené průzkumníky kosmu, jako byly sondy Voyager nebo vozítka Curiosity a Perseverance, brázdící marsovské pouště. Stávající podoba RTG generátorů má ale několik nevýhod. Jsou to poměrně velká zařízení, která nemusejí vyhovovat menším sondám typu Cubesat. K jejich výrobě se tradičně používá plutonium 238, které se v současné době vyrábí pouze v Rusku a jeho používání je proto značně problematické. 

Alternativní zdroj izotopů 

Česká firma Stellar Nuclear přišla s nápadem na alternativní zdroj radioizotopů pro své kosmické generátory. V lékařství a průmyslu se zdroje radioaktivního záření používají často. V medicíně převážně k diagnostice a při léčbě nádorů, v průmyslu k defektoskopii, polymerizaci nebo v hlásičích kouře. Množství takovýchto zdrojů není zanedbatelné a ročně je třeba zlikvidovat stovky kilogramů použitých průmyslových a medicínských zářičů. Tento nebezpečný odpad by se mohl stát surovinou budoucnosti. Ve Stellar Nuclear plánují využít stroncium a americium z vyřazených zářičů a vyrobit z něj radioizotopové energetické systémy pro budoucí kosmické mise. To má hned několik pozitiv. Staré zářiče díky tomu nebude nutno obtížně likvidovat nebo dlouhodobě skladovat. Poté, co třeba někomu zachránil život, dostane zářič ještě příležitost podívat se do vesmíru. Použitím alternativních zdrojů radioizotopů se omezí nutnost používat plutonium, čímž se podpoří nezávislost a bezpečnost evropských kosmických projektů. Firma Stellar Nuclear plánuje vylepšit i samotný proces lisování radioizotopů do pelety, tvořící tělo zářiče. Chce zdokonalit materiály, které peletu v mnoha vrstvách obalují, aby byly levnější, energeticky méně náročné a ekologičtější. 

Velkou výhodou projektu je modulárnost 

Malé radioizotopové články je možno sestavovat do větších celků a vyrobit tak zdroj tepla, případně elektrické energie, na míru požadavků konkrétní kosmické mise.

Využití radioizotopových energetických systémů od Stellar Nuclear se nabízí celá řada. Projekt Moonlight předpokládá například průzkum měsíčních jeskyní pomocí autonomního vozítka. Energii mu bude dodávat radioaktivní rozpad. Ostatně jakákoliv kolonie nebo zařízení na měsíčním povrchu se musí potýkat se čtrnáct dní dlouhou měsíční nocí, kdy na povrch Měsíce nedopadá sluneční záření, teploty klesají, a solární panely se nedají použít. Překlenout toto periodické období chladu a temna pomohou právě radioizotopové generátory. Ani na povrch Marsu nedopadá tolik slunečního záření jako na Zemi, a navíc planetu často postihují písečné a prachové bouře, které mohou na dlouhé týdny zastínit oblohu a zavát solární panely prachem. I tady je radioizotopový generátor nespornou výhodou, zajišťující bezpečnost, funkčnost, a tedy i úspěch jakékoliv terénní mise. 

Potenciální zákazníci 

Odběratelem radioizotopových energetických systémů od Stellar Nuclear by se mohla stát zásadní mise ESA k Saturnovým měsícům. Enceladus a Titan jsou zmrzlé světy, o kterých dosud víme jen velmi málo. Pod ledovou krustou Enceladu se pravděpodobně skrývají oceány, ve kterých plavou základní organické prvky života a dost možná i život sám. Sonda zkoumající ledové Saturnovy měsíce bude čelit extrémním podmínkám. Bude ji svírat mráz dosahují 180 stupňů pod nulou a k dispozici bude mít jen velmi málo slunečního světla, pouhé jedno procento toho, jaké dopadá na Zemi. Nemůže proto udržovat své přístroje při provozní teplotě a dodávat jim elektřinu ze solárních panelů. Bude vybavena spolehlivými a vytrvalými radioizotopovými energetickými systémy.

Na vývoj radioizotopových tepelných článků poskytla ESA české firmě Stellar Nuclear grant v rámci programu Business Incubation Centre, který pomáhá uskutečnit start-upům jejich převratné inovativní nápady. 

Příležitost pro další české firmy a odborníky 

Společnost Stellar Nuclear si dobře uvědomuje, jak je průzkum vesmíru klíčový pro budoucnost lidstva, a proto se zabývá i vývojem jaderných mikroreaktorů pro kosmické i planetární aplikace, zkoumáním možností jaderného pohonu, který by umožnil mnohem rychlejší a bezpečnější cestování sluneční soustavou a otevřel by nám její oblasti, které jsou zatím s konvenčním pohonem nedostupné. Je odborníkem na vývoj radiačně odolné elektroniky, která zvyšuje spolehlivost a úspěšnost vesmírných misí vystavených kosmickému záření, a v neposlední řadě se zabývá radiačně-bezpečnostní analýzou, která zvyšuje bezpečnost všech startů kosmických raket nesoucích na palubě například právě sondy s radioizotopovými generátory. Firma zaměstnává řadu vysoce kvalifikovaných českých odborníků, čímž pokračuje v tradici českého know-how v oblasti jaderné energetiky. Spolupracuje s řadou zahraničních firem i s Českým vysokým učením technickým a dává příležitosti k rozvoji celé řadě talentů, pro které je dobývání vesmíru srdeční záležitostí stejně tak, jako fascinujícím dobrodružstvím. 

Jak funguje RTG 

Srdcem radioizotopového generátoru je radioaktivní prvek, nejčastěji plutonium 238. Alfa rozpadem plutonia se uvolňuje teplo, a vzhledem k tomu, že poločas rozpadu plutonia je 88 let, vydrží tento zdroj dodávat energii po desítky let. Peleta radioaktivního plutonia je uzavřena v několika vrstvách obalů, které odvádějí její teplo, stíní radioaktivní záření a chrání obsah před vnějšími vlivy.

V případě jednodušších RHU (radioizotopových ohřívačů – Radioisotope Heater Units) postačí samostatná generace tepla, a jednotka je využívána například k udržení provozní teploty citlivé elektroniky vesmírného satelitu.

Aby se z tepla stala elektřina, je třeba přidat termoelektrický generátor. Toto jednoduché zařízení je tvořené dvojicí kovů nebo polovodičů. Když je mezi dvěma konci termočlánku teplotní rozdíl, dochází v něm ke vzniku elektrického proudu díky Seebeckovu jevu. V radioizotopovém generátoru se o zahřívání jednoho konce termočlánku stará teplo z radioaktivního rozpadu, zatímco druhý je připojen k radiátoru, který přebytečné teplo vyzařuje pomocí infračerveného záření do okolního, chladnějšího prostředí, a tím se sám ochlazuje.

RTG obvykle dosahují výkonu několika desítek wattů elektrické energie a stovky, v některých případech až tisícovky wattů tepelné energie. Alternativními izotopy využitelnými v RTG nebo RHU mohou být americium 241, stroncium 90 nebo polonium 210.

Radioizotopový termoelektrický generátor byl vynalezen roku 1954 Kennethem C. Jordanem a Johnem Birdenem v Mound Laboratories, USA. Jeho nejčastější využití je v kosmickém výzkumu, všude tam, kde se ukazují solární panely jako nepraktické nebo zcela nepoužitelné. První RTG vzlétl do vesmíru v roce 1961 na americké družici SNAP 3B. Od té doby se RTG staly nepostradatelnými a umožnily realizaci více než třiceti kosmických misí. Mezi těmi nejznámějšími můžeme jmenovat Viking, Pioneer 10 a 11, Voyager 1 a 2, Curiosity, Perseverance, Cassini nebo New Horizons. 

Příklady misí do vesmíru, které se bez radioizotopů neobejdou

Voyager 1 a 2 – dvojice sond vypuštěných ze Země v roce 1977. Přinesly neocenitelné poznatky o planetách Jupiter a Saturn. Voyager 2 prozkoumal také Uran a Neptun. Díky RTG, které jim dodávaly energii, mohly sondy pokračovat dál. Kolem roku 2010 opustily hranice sluneční soustavy. Roku 2025, po 48 letech cesty vesmírem, sondy stále komunikují se Zemí a předávají vědecká data, přestože jejich výkon už je značně omezený.

Perseverance, Curiosity – autonomní vozítka určená k průzkumu Marsu. Díky RTG nebyly závislé na energii ze slunečních panelů, které se na Marsu rychle zanesou prachem. Curiosity zahájila průzkum Marsu roku 2012 a aktivně zkoumala planetu po 12 let. Perseverance se vydala na rudé pláně roku 2020 a stále přináší o planetě nová a nová data.

Průzkum měsíčních jeskyní – plán Evropské kosmické agentury ESA zahrnuje vozítko, určené ke zkoumání měsíčních jeskyní. Pravděpodobné vstupy do nich odhalily družicové snímky. Vozítko pátrající v temné jeskyni se neobjede bez energetického zdroje, který mu poskytnou RTG.

Mise k Saturnovým měsícům – u Saturnu dosahuje intenzita slunečního záření pouhého jednoho procenta intenzity v okolí Země. Teploty klesají hluboko pod bod mrazu. V takto drsném prostředí by se měla pohybovat sonda, která prozkoumá Saturnovy měsíce Enceladus a Titan. Zvláště Enceladus je nesmírně zajímavý, protože pod jeho zmrzlým povrchem se skrývá oceán. Možná v něm plavou základní stavební kameny života a možná život sám. Sonda, která bude Enceladus zkoumat, bude vyžadovat spolehlivé RTG, které jí budou dodávat elektřinu a teplo po dobu mnoha let, po které potrvá její mise. 

Zkratky

RPS – Radioisotope Power System – radioizotopový zdroj energie – zařízení, které generuje tepelnou, případně elektrickou energii z rozpadu radioaktivních prvků

RHU – Radioisotope Heater Unit – radioizotopový ohřívač – zařízení, které využívá tepelnou energii z rozpadu radioaktivních prvků k ohřevu, obvykle kosmických družic

RTG - Radioisotope Thermoelectric Generator – radioizotopový termoelektrický generátor – zařízení, ve kterém termoelektrický generátor vyrábí pomocí tepelné energie z rozpadu radioaktivních prvků elektřinu 

Internetové odkazy

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

Radioizotopový termoelektrický generátor: https://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator

Projekt ESA na trvalé osídlení Měsíce:  https://www.esa.int/Applications/Connectivity_and_Secure_Communications/Moonlight

Mise ESA k Saturnovým měsícům:  https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Saturn_s_m oon_Enceladus_top_target_for_ESA