Princip RTG pohonů v kosmu

V dnešním světě, kde používáme jadernou energii jako efektivní a levný zdroj elektrické energie na zemi, není jistě s podivem, že tuto možnost budeme využívat i v kosmu, neboť zdroj energie ve vesmíru nyní potřebuje přes 34 tisíc kusů aktivních i neaktivních vědeckých, vojenských (špionážních), navigačních, meteorologických, telekomunikačních a dalších družic a sond. Všechny tyto stroje potřebují pro svůj provoz zdroj energie. Jaderná energie samozřejmě není jediná, která dokáže tuto potřebu naplnit. Například solární energie pohání mnoho z nich, ale tento zdroj je limitován tím, že se nesmí dostat do stínu. V tento okamžik přichází na řadu jaderná energie a to RTG systémy (Radioisotope Thermoelectric Generators).

Tyto systémy jsou využívány již od roku 1961. Byly použity například při misi Apolla 11, kdy první člověk stanul na povrchu měsíce. Obě sondy Voyager, které jako první výrobek člověka opustily naši sluneční soustavu, také čerpají energii ze systémů RTG. I když už překročily svou projektovou životnost, tak podle nejnovějších výpočtů budou posílat informace směrem k Zemi až do roku 2020, a to byly vyslány v roce 1977.         Jak tento systém výroby elektrické energie vlastně funguje? Jako zdroj energie se používají tabletky vyrobené z oxidu plutoničitého PuO2 (Pu238), které jsou slisovány do bloků a pokryty vrstvou houževnatého a pevného kovu, nejčastěji iridia. Rozpadem paliva je vyzařováno záření generující teplo, které je pomocí termočlánků převáděno na elektrickou energii. Termočlánky jsou umístěny ve stěnách nádoby s palivem, a jejich výstup je připojený k chladiči, který je přitisknut k vnějšímu obalu. Cirkulací chladicí kapaliny skrze termočlánky je vyráběna elektrická energie a zbytkové teplo odchází do okolí. Cirkulace chladicí kapaliny probíhá díky kapilárním silám.

Princip tohoto systému je jednoduchý, spolehlivý a má velké množství výhod, které mu zajišťují použití při misích ve vesmíru. Nejen že vyrábí elektrickou energii, která je potřebná ke správnému fungování primárních systémů, řízení, komunikace se zemí a mnohých dalších úkolů, ale je využívána i samotná tepelná energie vytvořená rozpadem paliva. Tato tepelná energie zahřívá kritické součástky, které by mohly být vlivem velkých mrazů poškozeny.

Možná vás napadá, proč se používá jako palivo oxid plutoničitý, i když se ve většině jaderných elektráren používá oxid uraničitý? To je další výhodou tohoto systému. Na rozdíl od jaderných elektráren, jsme velmi limitováni velikostí a hmotností celého palivového systému. Plutonium se rozpadá „alfa rozpadem“, jehož záření je velice snadno odstíněno i slabou vrstvou kovu, což umožňuje malé rozměry a menší hmotnost, než kdyby bylo použito standardní palivo. Snadné odstínění radiace je výhodou i pro manipulaci a obsluhu těchto systémů.

Při výběru správného paliva rozhoduje mnoho faktorů, a jedním z nich je jeho možnost zneužití. Bavíme se zde o materiálech silně radioaktivních a materiálech používaných nejen v jaderných elektrárnách, ale také ve zbraních hromadného ničení. Při použití plutonia 238 toto nebezpečí nehrozí, protože tento materiál je nepoužitelný v jaderných zbraních. Samozřejmě nemožnost použití v jaderných zbraních, nesnižuje ohrožení radioaktivitou. Aby nedošlo ke kontaminování atmosféry, resp. zemského povrchu, je plutonium uzavřené v několika ochranných obálkách. V historii RTG pohonů došlo pouze 3x k jeho shoření v zemské atmosféře. Nikoliv však selháním RTG pohonu, ale explozí nosné rakety. Ve dvou případech nedošlo k úniku radiace do atmosféry, právě díky ochranným obálkám. Pouze v jednom případě došlo k uvolnění radioaktivity do zemské atmosféry. Radiační následky však lze vůči radioaktivitě uvolněné při pokusných a cvičných explozích jaderných hlavic na zemi zanedbat.

Podle mého názoru mají tyto pohony zvláště pro vesmírné použití nesmírný potenciál, a to nejen díky jejich spolehlivosti, ale také době, po kterou dokáží fungovat a dodávat energii. To dokazuje především mnoho výzkumných center, jak akademických tak firemních, které se snaží tento pohon zdokonalovat, zvýšit výkon při zachování rozměrů a hmotnosti, ale také zvýšit bezpečnost. Jedním z vylepšení je například Stirlingův motor, který výrazně zvyšuje účinnost. Další informace o kosmických pohonech jsou dohledatelné na serveru Wikipedia.

Ondřej Pašta

Zdroje:

Spaceprobes.kosmo.cz

World-nuclear.org

Solarsystem.nasa.gov

Tento článek byl napsán ve spolupráci se studenty oboru Jaderná energetická zařízení Fakulty strojní ČVUT v Praze.