NASA usiluje o jadernou energii na Marsu

Po přestávce trvající půl století agentura oživuje svůj vlastní vývoj reaktorů s první zkouškou, která proběhne později letos v létě

Jelikož NASA plánuje jednoho dne poslat lidi na Mars, jedním z klíčových technických nedostatků, na kterém agentura pracuje, je jak zajistit dostatek energie na povrchu rudé planety pro kosmonauty, výrobu paliva a pro napájení dalšího zařízení. Jednou z možností jsou malé jaderné štěpné reaktory, které pracují na principu rozdělování atomů uranu k výrobě tepla, jenž se pak přemění na elektrickou energii.

Technologicko-vědecká větev úřadu NASA financuje projekt zvaný Kilopower po dobu tří let s cílem demonstrovat systém v lokalitě Nevada National Security Site poblíž Las Vegas. Testování má začít během letošního září a skončení se očekává v lednu roku 2018.

Naposledy testovala NASA štěpný reaktor během šedesátých let. Jednalo se o program s názvem Systems for Nuclear Auxiliary Power – SNAP, v rámci něhož byly vyvinuty dva typy jaderných energetických systémů. První systém – radioizotopové termoelektrické generátory neboli RTG – využívá teplo uvolněné z přirozeného rozpadu radioaktivního prvku, jako je plutonium.  Generátory RTG poháněly v průběhu let desítky kosmických sond, včetně vozítka Curiosity, které nyní prozkoumává Mars.

Druhá technologie vyvinutá v rámci programu SNAP byla štěpný reaktor. SNAP-10A byla první – a dosud jedinou – americkou jadernou elektrárnou provozovanou ve vesmíru. Zařízení SNAP-10A bylo spuštěna dne 3. dubna roku 1965 a vydržela v provozu 43 dní, přičemž produkovalo 500 wattů elektrické energie, než došlo k selhání techniky, která nesouvisela s projektem reaktoru a která zapříčinila ukončení demonstrace. Zařízení SNAP-10A zůstává na oběžné dráze Země.

Rusko bylo mnohem aktivnější ve vývoji a létání kosmických lodí poháněných malými štěpnými reaktory, včetně 30 výzkumných radarových oceánských družic (Radar Ocean Reconnaissance Satellites – RORSAT), které byly vypouštěny v letech 1967-1988. Dalším vývojovým stupněm pak byla zařízení TOPAZ (Thermionic Experiment with Conversion in Active Zone).

Oživení zájmu o jádro

NASA financovala několik projektů v oblasti jaderných technologií v 50. letech před programem SNAP, ale finanční, politické i technické problémy zapříčinily omezení vývoje. Před třemi lety program agentury s názvem Game Changing Development podpořil projekt Kilopower s cílem postavit a otestovat malý štěpný reaktor do 30. září roku 2017, což je konec současného fiskálního roku. Projekt vyšel přibližně na 15 milionů dolarů.

„Bude to poprvé od šedesátých let minulého století, kdy budeme provozovat štěpný reaktor, který by mohl být používán ve vesmíru,“ uvedl Lee Mason, který dohlíží na vývoj energetických technologií a technologií pro ukládání energie ve výzkumném středisku Glenn Research Center úřadu NASA v Clevelandu.

Testování v září je navrženo tak, aby ověřilo design a výkon reaktoru Kilopower. Poté by NASA mohla být připravena pokračovat ve vývoji systému s vyšší přesností pro testování podmínek na Marsu nebo kdekoliv jinde, doplnil Mason.

Zkušební reaktor, který má výšku přibližně 1,9 metrů, je navržen tak, aby produkoval 1 kilowatt elektrické energie, avšak kvůli snížení nákladů neobsahuje testovaný blok kompletní řadu Stirlingových motorů, které zajišťují přeměnu tepelné energie generované štěpením na elektřinu. K potvrzení výkonu reaktoru tak budou využity simulátory a matematické modely, uvedl Mason v rozhovoru pro Space.com.

Zájem úřadu NASA o štěpení se objevil po studii z roku 2010, která zkoumala možnosti systémů pro generátory RTG.

„V tom okamžiku jsme se pokoušeli najít malý štěpný reaktor, který by mohl poskytnout obdobný výkon jako radioizotopové energetické systémy,“ vysvětlil Mason.

Inženýři z úřadu NASA uvádějí, že lidské výpravy na Mars budou vyžadovat systém schopný vyrábět kolem 40 kilowattů elektřiny, což je asi tolik, kolik je potřeba pro „přibližně osm domů na Zemi,“ uvedla agentura. Generátor RTG kosmické lodi Curiosity byl navržen tak, aby dodával asi 125 wattů – méně elektřiny než je potřeba k napájení mikrovlnné trouby – navíc výkonové hladiny klesají s tím, jak se rozpadá radioaktivní plutonium.

Další možností je využité solárních panelů, avšak výroba elektřiny je u nich omezená jen na oblasti, které jsou vystaveny dostatečnému slunečnímu záření. Například uvnitř měsíčního kráteru Shackleton Crater  – což je hlavní kandidát pro lunární expedici kvůli jeho vodním zdrojům – je úplně ve stínu. Navíc i nejslunnější oblasti na Marsu získají pouze asi třetinu slunečního záření oproti Zemi.

„Pokud chcete přistát kdekoliv, je povrchová štěpná energie klíčovou strategií,“ řekl Michelle Rucker, inženýr z centra Johnson Space Center úřadu NASA v Houstonu, během své prezentace z prosince loňského roku ohledně pracovní skupiny Future In-Space Operations úřadu NASA.

Štěpné reaktory mohou navíc pracovat za nepříznivých povětrnostních podmínek, jako jsou všudypřítomné prašné bouře na Marsu.

„Přinesli jsme na Mars několik opravdu skvělých věcí a oni měli nějaké pozoruhodné energetické systémy …, ale nebudou je realizovat pro lidské mise,“ doplnil Mason během minulého měsíce na summitu Humans to Mars Summit ve Washingtonu, D. C.

Největší potřeba energie pro budoucí lidské výpravy je v provozování zařízení pro výrobu paliva, vzduchu a vody, dále v provozování stanoviště a dobíjení baterií pro rovery a vědecké přístroje. NASA počítá s odesláním čtyř nebo pěti malých štěpných reaktorů, každý schopný generovat asi 10 kilowattů elektřiny, na Mars, poznamenal Mason na summitu Humans to Mars Summit.

Jednotky budou vypuštěny neaktivní, přičemž se aktivují, jakmile dosáhnou svých cílových destinací.

„Jednotky nepracují při startu, zatímco když poháníte generátory RTG, jsou v provozu, a musíte zpracovat jejich tepelný výkon,“ doplnil Mason.  „Reaktory mají při startu také velmi nízký radiologický inventář – méně než 5 Ci – takže jsou neškodné… Nejsou zde žádné produkty štěpení, dokud není reaktor spuštěn.“

Mezi partnery projektu Kilopower patří centrum Glenn Research Center úřadu NASA, ministerstvo energetiky, laboratoře Los Alamos National Lab a komplex Y12 National Security Complex, který dodává uran pro reaktor.

Zdroj: SCIENTIFIC AMERICAN