Neděle, Prosinec 15

Proč je jaderná technologie kritická pro vesmírný program

Jaderná energetika hrála klíčovou i podpůrnou roli v historických misích na Mars, Pluto i napříč sluneční soustavou za posledních 50 let. Prvního ledna 2019 letěl jaderný projekt New Horizons kolem nejvzdálenějšího pozorovatelného tělesa (Ultima Thule). Předtím, v roce 2015, letěl kolem Pluta.

Pluto a Ultima Thule (Zdroj: ansnuclearcafe.org)

Jaderná energie není pro vesmírné aplikace nová. V posledních 50 letech byl zájem o robotický průzkum a obvykle poskytováním několika set wattů pro počítač a komunikační systémy. Ačkoliv následujících 50 letech bude jaderný vesmírný program zajišťovat energie pro lidská obydlí, která budou vyžadovat výkony v hodnotách kilowat, či dokonce megawat jak pro podporu lidského života ve vesmíru, tak pohon a průmyslové aplikace. Zatímco solární energie je alternativním zdrojem a pracuje dobře v mnoha lokalitách, jaderná energetika je potřebná pro oblasti velmi vzdálené od slunce, či místa jako je Měsíc, kde jsou velmi dlouhá období tmy.

Nejvíce využívaným typem používané jaderné technologie jsou radioizotopové tepelné generátory (RTG). RTG používají teplo produkované radioaktivním materiálem (obyčejně Pu-238), který se rozpadá do základního stavu. RTG jsou často nazývány jaderné baterie, jelikož mohou být modularizovány podobně jako například AA, či AAA baterie. RTG hrají životně důležitou roli při robotickém vědecké mise zahrnující například Rover Curiosity, Cassini a Voyager. Voyager 1 a 2 opustili sluneční soustavu a přitom stále komunikují se Zemí po více jak 40 letech a vzdálenosti miliard mil. RTG pokračují v důležité roli ve vědeckých misích, jako jsou Mars Rover 2020.

RTG generátory však nejsou vhodné pro dodávky energií o výkonech kilowat, či megawat, což je množství energie nezbytné pro budoucí život při vesmírných letech. Existuje však druhý typ jaderné energie, nazývaný štěpení, který umožnuje dosáhnout vyšších výkonů, a který podpoří život ve vesmíru.

Porovnání výkonu jednotlivých zdrojů energie, používaných ve vesmíru (Zdroj: ansnuclearcafe.org)

Štěpení jader vyžaduje „kritické množství“ materiálu. To znamená, že reaktor potřebuje určitou velikost k tomu, aby dodával teplo, ale jakmile dosáhne této kritické velikosti, může produkovat tolik energie, kolik bude požadováno. Štěpení není ve vesmíru ničím nové. V roce 1965 byl spuštěn a následně provozován vesmírný reaktor SNAP10A. Rusko má rozšířené zkušenosti se spouštěním více jak 30 štěpných reaktorů pro vesmírný program. Navíc pro spuštění těchto systémů bylo provedeno mnoho pozemních testů. V 60. letech NASA úspěšně testovala desítky raketových motorů na zemi v rámci programu NERVA.

Nedávno, na jaře roku 2018 NASA na zemi testovala projekt vesmírného reaktoru „Kilopower“. Aktivní zóna je vyrobena ze slitiny uranu a molybdenu a připojena k tepelným vodičům a Stirlingovu motoru ve vakuové komoře. Testy ukázaly skvělou výkonnost a připravují cestu pro prototyp, který bude ve vesmíru. Kilopower byl úspěšným, pokud ne z jiného důvodu, tak z důvodu demonstrace efektivity jaderného výzkumu. Celá zkušební pozemní část vývoje reaktoru Kilopower byla dokončena ve třech letech a celkový rozpočet byl ve výši 20 milionů dolarů (452 milionů Kč).

Vizualizace reaktoru Kilopower na měsíci a jeho příprava na pozemní testy (Zdroj: ansnuclearcafe.org)

NASA také podporuje v posledních letech vývoj jaderných raket. NASA dala zakázku v hodnotě 18,8 milionů dolarů společnosti BWXT na návrh a výrobu prototypu nového paliva používajícího nízko obohacený uran v matrici na bázi wolframu a oxidu uraničitého. Stávající rozpočet na „vývoj a demonstraci jaderného systému pohonu senát vymezil na 150 milionů dolarů (3,4 miliardy Kč)“. Zatímco se návrh zákona může změnit, je jasně vidět, že kongres podporuje vývoj vesmírných jaderných technologií.

Vesmírná renesance a jádro

V éře Apolla, byly systémy NERVA a SNAP velmi „jednoduché“. Jaderné rakety a energetické systémy byly postaveny. Nicméně jako národ jsme se rozhodli nepokračovat v lidském zkoumání Marsu po projektu Apollo. Systémy se štěpným reaktorem pro vesmírné účely byly odloženy až do doby, kdy jsme se rozhodli prozkoumat Mars, nebo začít kolonizovat Měsíc. Za posledních 50 let nedošlo k žádnému vážnému impulzu zkoumání vzdálenějšího vesmíru, než je oběžná dráha Země, a tak nebyly vesmírné štěpné systémy nadále rozvíjeny. Přesto se v posledních desetiletích něco změnilo. Byla zde renesance ve vesmírném průmyslu.

Až do nedávné doby bylo velmi nákladné umístit něco na oběžnou dráhu země. Jakýkoliv projekt na oběžné dráze si vyžádal svou cenu, například mezinárodní vesmírná stanice je nejdražším jediným objektem, postaveným lidmi v moderní historii. Její cena je přibližně 100 miliard dolarů (2260 miliard Kč). Vesmírné cestování bylo přísně v oblasti vlády, protože náklady byly tak velké, že si je žádná osoba, nebo společnost nemohla dovolit.

Nicméně se od 60. let věci změnily . Jednoduchým faktem je, že navrhování, výstavba a provozování technologického komplexu nebylo nikdy v historii jednodušší. Výroba, materiály, výpočetní kódy jsou řádově lepší, než v 60. letech. To snížilo náklady na rozvoj vesmírných dovedností na úroveň, kdy jsou do nich zahrnuty také soukromé společnosti jako například Blue Origin, SpaceX a dokonce v poslední době také menší společnosti jako například Rocket Lab. Komerční vesmírný trh se rozšířil a nyní je na hodnotě 380 miliard dolarů (8588 miliard Kč) ročně. Do roku 2040 se má v tomto průmyslu pohybovat na jeden až čtyři biliony průmyslových odvětví. Abychom toto dali do porovnatelné perspektivy, elektrický trh ve Spojených státech byl v roce 2017 na úrovni 390 miliard dolarů (8814 miliard Kč). To tedy znamená, že vesmírný program je nyní na trhu na stejné pozici, jako je americká energetika.

Jeff Bezos (společnost Blue Origin) a Elon Musk (společnost Space X) založili své společnosti s vizí „milionů lidí žijících a pracujících ve vesmíru“ v nadcházejících několika desetiletích. Společnost SpaceX se svou raketou Falcon snížila náklady vesmírných letů patnáctkrát a cena neustále klesá, jak bude spouštěna nová raketa Dalcon Super Heavy. Pro štěpné energetické systémy se tato hra mění. V minulosti byly náklady na spuštění takových systémů příliš vysoké. Ale nyní byla tato bariéra odstraněna a spouštění několikatunového reaktoru není překážkou. To, co zamezovalo lidstvu dosáhnout orbity, byla cena a nyní byla tato bariéra uvolněna a brána do vesmíru tak byla otevřena.


Astronauti stojící před Boeing Starline a Space Dragon, vyvíjeného komerčním programem (Zdroj:ansnuclearcafe.org)

NASA začala přijímat inovace soukromého sektoru. Používáním nových milníků, založených na zakázkách programu Commercial orbital Transportation Service (COST), který úspěšně dodává zásoby vesmírné stanici při používání modulu SpaceX a orbitálních raket ATK od roku 2012. V roce 2019 společnost Space X a Boeing očekávají komerční program letů astronautů do vesmíru. Tato doba znamená, že američtí astronauté, kteří od konce programu Shuttle nelétali s americkými raketami a spoléhali se na ruský program Soyuz, budou zase létat se svými raketami. V listopadu 2018 NASA oznámila výběr několika společností pro program Commercial Lunar Payload Services v rámci kterého bude možné vynést člověka na povrch měsíce. Nyní vyvstala příležitost pro nové kapacity, urychlené novým přístupem společnosti NASA a díky tomu zde existuje rozumné očekávání komerční poptávky po těchto kapacitách. Nejlepší analogie pro rostoucí vesmírný průmysl je internet od konce 80. let.

„Brána do vesmíru se otevírá, ačkoliv předtím, než budeme přemýšlet o udržitelné přítomnosti člověka ve vesmíru, je třeba zajistit technologie potřebné k tomuto činu. Jádro je jednou z kritických technologií. Štěpení může dosáhnout potřeb komerčních a vládních zákazníků. Jakmile budou lidé připraveni k životu a práci ve vesmíru, jaderná energetika zde musí být připravena také. Zde nadchází čas pro technologie SNAP a NERVA, které je třeba oprášit pro budoucí použití.“ Michael Griffin, bývalý ředitel NASA a zástupce vědeckého a výzkumného útvaru amerického ministerstva obrany sdělil:

„Tam, kde jsme s vesmírným programem dnes, je, podle mého názoru, podobné kde jsme byli při prozkoumávání moří na plachetnicích. Mnoho rozdílných technologií muselo být zpracováno, aby bylo možné používat lodní pohony…z toho vzejde jaderná technologie se svým pohonem.“

Dr. Christopher Morrison je astrofyzik a současně jaderný inženýr ve společnosti USNC-Space v Seattlu, státu Wahington. Je členem ministerstva energetiky, NEUP-IUP, tajemníkem vesmírné divize ANS a také píše populárně naučné články v rámci ANS Social Media Team.

Zdroj: ansnuclearcafe.org

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..