Novákoviny

Připravovaná pilotovaná výprava na Mars se zřejmě neobejde bez jaderného pohonu kosmické lodi, aby se zkrátila doba letu. Miniaturizace reaktorů ale křísí také nové možnosti využití síly jádra i při pohonu roverů nebo budování stanic na povrchu planet.

 

Úspěšný film Marťan (The Martian) po dlouhé době nebyl pohádkou nebo hororem převlečeným za sci-fi, ale dostál slabice "sci" v názvu žánru: lety na Mars popisoval po konzultacích s lidmi z kosmické agentury NASA. Někoho proto mohlo zarazit, že kosmická loď Hermes tu potřebovala k dosažení Rudé planety 124 dní, zatímco dnešním sondám trvá stejná cesta okolo 9 měsíců. Přesto se ani tady autor neodchýlil od reality - jen místo klasického chemického paliva, jaké pohání dnešní kosmické prostředky, dal lodi Hermes elektrický pohon napájený kombinací jaderného reaktoru a solárních panelů.

Tolik sci-fi - ale k myšlence využít energie štěpení atomových jader pro cesty k Marsu a dál se stále víc přiklání i skutečné kosmické plány Spojených států.

 

Palivo pro hluboký vesmír

"Míříme stále hlouběji do sluneční soustavy," řekl americký viceprezident Mike Pence na zasedání Národní rady pro vesmír (National Space Council) v Alabamě. "K tomu potřebujeme nové raketové pohony, včetně motorů využívajících jadernou energii."

 

obr: Kosmická loď Hermes z filmu Marťan měla kombinovaný jaderně-solární pohon

 

Nezůstalo jen u slov. Na rozpočtový rok 2019 dostala NASA k dispozici 21,5 miliard dolarů, ze kterých chce 176 až 217 milionů dolarů dát na vývoj nových technologií pro hluboký vesmír. Mezi jednu z priorit v této oblasti patří právě raketové motory na jaderný pohon a miniaturní jaderné reaktory pro kosmické aplikace (například pro zásobování stanici na povrchu Měsíce a Marsu energií).
Mimo to Kongres kosmické agentuře schválil 100 milionů dolarů na vývoj tzv. termálního nukleárního pohonu, který má být předveden při letovém testu okolo roku 2024.

Ale nejen to: 22. května schválil Výbor pro rozpočty (U.S. House Committee on Appropriations) návrh zákona o rozpočtových prostředcích na obchod, justici a vědu, který na NASA pamatuje 22,3 miliardy dolarů, z nichž má na termální jaderný pohon dát dalších 125 milionů dolarů. Sice se tu tentokrát nemluví o předvedení v roce 2024, ale od NASA se požaduje dlouhodobý plán, který bude obsahovat časovou osu realizace - včetně letových testů, uplatnění v konkrétních kosmických misích a popisu všech možností uplatnění, které tato nová technologie umožní.

Důvodem je to, že klasický raketový pohon využívající chemická paliva (v principu obyčejné hoření, tedy slučování paliva s kyslíkem) se hodí pro lety na oběžnou dráhu Země, kam to není daleko, nebo pro mise bezpilotních sond, kde nezáleží na délce letu - ale pro výpravy lidí je pomalý a vyžaduje velké zásoby paliva. Další nevýhodou je, že palivo a okysličovadlo se velmi rychle spotřebují, proto může pracovat jen krátkou dobu. Raketa nebo kosmická loď s chemickým pohonem tedy sice na počátku svá dráhy prudce zrychluje, ale převážnou většinu cesty letí setrvačností.

Naproti tomu jaderné motory jsou efektivnější než současné chemické, potřebují proto menší zásoby paliva a přitom mohou pracovat dlouhou dobu. Kosmická loď tak může první polovinu cesty zrychlovat a druhou brzdit, což výrazně zkrátí dobu letu k Marsu i k jiným cílům v hlubokém vesmíru.

 

Desetmilionkrát víc energie než dnes

Ve skutečnosti je termín "jaderný pohon" dost široký pojem, protože zahrnuje několik možných způsobů využití energie ukrývající se v atomech. Nejjednodušší je princip známý jako RPS kdy teplo vznikající při přirozeném rozpadu radioizotopů, konkrétně plutonia, se v termočláncích mění na elektřinu. Takovým způsobem je v současnosti poháněn například marsovský rover Curiosity. Podobné články měly i těžké sondy Pioneer, Voyager, Cassini a Galileo mířící daleko od Slunce, kde již není možné použít fotovoltaické panely.

"Mars, Venuše, Jupiter, Europa, Saturn, Titan, Uran, Neptun, Pluto, komety, asteroidy - to všechno jsou mise, při nichž mohou být RPS velmi užitečné," konstatují oficiální materiály NASA. RPS jsou jednoduché a schopné pracovat velmi dlouhou dobu, jejich výkon však stačí jen na napájení palubních přístrojů nebo nepříliš silných elektromotorů.

 

obr: Jeden z konceptů kosmické lodě pro Mars

 

Na pohon pro meziplanetární let je však potřeba mnohem větších výkonů, které dokáže zajistit jen jaderný reaktor. Tedy zařízení, v němž se atomy (v současnosti nejčastěji izotop uranu 235U) štěpí bombardováním neutrony. Každý takto rozbitý atom přitom uvolní další neutrony, které rozštěpí další atomy... a tak dále, proto se tomuto procesu říká řetězová reakce. Důležité je, že se při každém štěpení uvolní také velké množství energie v podobě tepla. Na tomto principu pracují pozemní jaderné elektrárny - v jejich dnes nejrozšířenějším typu jaderný reaktor v podstatě jen nahrazuje kotel elektrárny na uhlí nebo jiné fosilní palivo.

Posílat do vesmíru kotle, parogenerátory a další zařízení elektrárny ovšem dost dobře nejde, proto se na věc musí jinak. Nejjednodušší je takzvaný tepelný pohon, který se obejde bez přeměny tepelného výkonu reaktoru na elektřinu - právě takový, který dostala za úkol vyvinout NASA. Zde se v reaktoru zahřívá na vysokou teplotu přímo vodík. Ten tak mnohonásobně zvětší objem a vysokou rychlostí uniká z trysky pohánějící loď. Na rozdíl od klasického chemického paliva je účinnost i výtoková rychlost podstatně vyšší a spotřeba pohonné látky nižší - podle materiálů NASA jsou jaderné reakce schopné uvolnit přibližně desetmilionkrát víc energie, než chemické reakce probíhající v současných raketových motorech. Z propočtů drah, po nichž by se musely ubírat lodě výpravy k Marsu, vyplývá, že tepelné jaderné motory by zkrátily dobu cesty až o polovinu.

Využití jaderné energie je nezbytné i pro vybudování stanic a osad na povrchu Měsíce a Marsu. Ralph McNutt, který byl šéfem vědeckého programu sondy New Horizon k Plutu, vysvětluje: "Jaderná zařízení budou nezbytná, protože solární fotovoltaické panely by tam musely být moc velké a neustále by bylo nutné z nich odstraňovat prach."

 

Kosmická elektromobilita

Elektrický pohon dnes není hitem jen v elektromobilech, ale čím dál víc se uplatňuje i v kosmických sondách a lodích. Už dnes existují kosmické dopravní prostředky poháněné elektřinou - stejně jako elektromobily však trpí omezeným zdrojem energie. Kdyby se tedy podařilo dostat do vesmíru nejen samotný reaktor (jako je tomu u termálního pohonu) ale i celou elektrárnu, otevíralo by to obrovské možnosti. Dnes přicházejí v úvahu dva druhy elektrického kosmického pohonu: iontový a plazmový.

 

obr: Schéma termálního jaderného pohonu

 

Iontový motor pracuje (zjednodušeně řečeno) na principu urychlování iontů pracovní látky (například argonu) v elektrickém poli. Na rozdíl od chemických motorů, kde je výtoková rychlost plynů okolo 4 km/s, dosahuje výtokové rychlosti v řádu desítek kilometrů za sekundu. Má sice nízký tah, ale může pracovat velmi dlouho, takže při dlouhých misích v konečném důsledku dá kosmické lodi vyšší rychlost než chemický pohon. Navíc díky velké vytrvalosti zvětšuje i možnosti manévrování.

Na podobném principu jako iontový motor pracuje plazmový motor, kde se - na rozdíl od iontového - elektricky nabité částice navíc ještě vysokofrekvenčním ohřevem rozžhaví na teploty až milionů stupňů Celsia. I tento pohon se vyznačuje nízkou spotřebou pracovní látky a vysokou výtokovou rychlosti, současně ale poskytuje i velmi silný tah. A právě jaderný reaktor je tím, co by tuto energii mohlo dodat, musel by ovšem mít výkon okolo 200 MW. Dalším problémem je, že aby se pohonný systém vlivem vysokých teplot nevypařil, musí plazmu udržovat v patřičné vzdálenosti od jeho stěn silné magnetické pole.

Iontový pohon se už řadu let ve vesmíru používá, dosud však u něj byly zdrojem energie solární fotovoltaické panely. Ty ale s rostoucí vzdáleností od Slunce ztrácejí výkon, který i bez toho není nijak oslňující (pro účinný pohon by těžká pilotovaná loď potřebovala obrovskou plochu panelů). Výkonný jaderný reaktor by takové plavidlo naopak dokázal urychlovat na vysoké rychlosti i několik let a stejně účinně v případě potřeby i brzdit.

Ještě víc by se takový reaktor hodil k plazmovému motoru, který je z principu energeticky náročnější než iontový. Proto se hledají cesty, jak z reaktoru udělat elektrárnu, aniž by příliš přibral na váze. Jako perspektivní se zatím jeví již zmíněné termočlánky proměňující teplo přímo v elektřinu. Ty sice jsou velmi jednoduché a spolehlivé, mají však nízkou účinnost. Jiné programy počítají se Stirlingovými motory, což je pístový tepelný stroj na vzdáleně podobný parnímu, který se však obejde bez vody a páry, a k práci mu vystačí jakýkoliv zdroj tepla. Nabízí mnohem vyšší účinnost než termočlánky, je ale podstatně složitější a má vysokou hmotnost na jednotku výkonu.

 

Desítky let marného snažení

 

Snaha sestrojit jaderný pohon pro vesmír odstartovala už roku 1955, kdy USA zahájily projekt Rover, jehož cílem bylo vyvinout nukleární pohon pro horní stupně mezikontinentálních střel. Roku 1958 byl převeden pod NASA a proměnil se v program vývoje nukleárního motoru NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), který měl pohánět kosmické lodě. Roku 1961 v Marshallově středisku kosmických letů vznikl zvláštní úřad pro kosmický nukleární pohon (Space Nuclear Propulsion Office), jehož hlavním úkolem bylo dotáhnout projekt NERVA do zdárného konce.

 

obr: Jeden z testů pokusného jaderného motoru NERVA

 

Srdcem motoru NERVA byl miniaturizovaný a značně odlehčený reaktor v tyčovém uspořádání, přičemž palivem byl uran 235. Pohonnou látkou byl kapalný vodík, který se v reaktoru zahřál na teplotu 2500 stupňů Kelvina a unikal tryskou ve dně reaktorové nádoby. Předpokládalo se, že motor bude pracovat pouze v kosmickém vakuu, takže zde nehrozilo nebezpečí zamoření, proto pokrývalo stínění jen horní stranu reaktoru, a chránilo tak obytné části kosmické lodi. Tepelný výkon reaktoru měl být 2700 MW (pro srovnání: tepelný výkon každého z reaktorů v Temelíně je 3120 MW). NERVA dospěl až do stádia pozemních testů, které se uskutečnily v Nevadské poušti. Během dramatických škrtů, které postihly americkou astronautiku v 70. letech, však byl projekt zrušen, poté co se za něj utratilo 1,4 miliardy dolarů.

Už předtím ale Američané vyslali do vesmíru malý jaderný reaktor na palubě satelitu Snapshot (OPS 4682), který odstartoval roku 1965. Měl elektrický výkon 650 W a poháněl malý iontový motor. V někdejším Sovětském svazu byly malé reaktory na palubách vojenských satelitů RORSAT, kde však nesloužily k pohonu, ale napájely výkonné radary pro sledování ponorek.

Koncem osmdesátých let zahájil Pentagon projektové práce na novém motoru označeném jako Timber Wind. Vývoj probíhal v laboratořích US Air Force ve městě Albuquerque, kde jsou pracoviště jaderného výzkumu. Objednávka zřejmě vznikla především na základě programu "hvězdných válek" (SDI - strategická obranná iniciativa) presidenta Ronalda Regana. S koncem studené války pak ochladl i zájem vojáků o tento projekt.

Civilní složka americké kosmonautiky však nepřestala jevit o atomový pohon zájem. Další oživení přišlo s presidentem Bushem, který na počátku 90. let vyhlásil Mars jako nejvýznamnější cíl amerického vesmírného úsilí. Tehdy také NASA dostala peníze na obnovení výzkumu a vývoje jaderného pohonu. Souběžně s ním pokračoval také armádní výzkum a se svými studiemi přišly i velké firmy leteckého a kosmického průmyslu. Po nástupu prezidenta Clintona do Bílého domu však došlo k dalším škrtům a ukončení všech programů vývoje jaderných motorů.
Myšlenka jaderného pohonu přesto přežívala dál. Roku 2003 NASA odstartovala projekt Prométheus - vývoj elektrického pohonu, jehož zdrojem energie byl jaderný reaktor. Jako první by ho dostala velká sonda JIMO pro výzkum Jupiterova měsíce Europa. Start se předpokládal po roce 2024, už roku 2005 však byl projekt pro nedostatek prostředků zrušen.

 

Na Mars za 39 dní

V současnosti má NASA jediný aktuálně probíhající program, na němž spolupracuje s Národní agenturou pro jadernou bezpečnost (NNSA). Je to reaktor Kilopower v podobě válce velikosti popelnice vážícího pouhých 400 kilogramů. V rámci několik měsíců trvajícího experimentu KRUSTY (Kilopower Reactor Using Striling Technology) roku 2018 úspěšně poháněl Stirlingův tepelný motor - z toho po několik dní i v podmínkách simulujících kosmické vakuum.

 

obr: Schéma iontového motoru VASMIR

 

Jak ale prozrazuje samotné jméno reaktoru, jeho elektrický výkon by stačil sotva na travní sekačku, takže se s ním počítá spíš pro pohon roverů, malých sond do vnějších oblastí sluneční soustavy, nebo jako záložní zdroj pro malé habitaty na Měsíci. 

Po Kilopoweru ale mají následovat i větší a výkonnější jednotky, z nichž některé by v kombinaci s fotovoltaickými panely také mohly posloužit jako pomocný zdroj elektrické energie pro iontové motory kosmických sond - zejména při letech do vzdálených oblastí, kde už sluneční svit nestačí pro činnost fotovoltaických článků. Trumpova politická garnitura USA však chtěla po NASA mnohem víc: žádale výkonný motor, který by dokázal pohánět těžké kosmické lodě a výrazně zkrátil let pilotované lodi ze Země na Mars a zpět.

"Jaderný pohon je klíčový pro aktivity za nízkou oběžnou drahou Země (LEO, Low Earth Orbit)," tvrdí Jeff Thornburg, generální ředitel a prezident společnosti Interstellar Technologies a bývalý výkonný ředitel SpaceX. Současně ale upozornil, že k tomu bude nutné upravit současné předpisy omezující vypouštění zařízení využívajících jaderných technologií do kosmického prostoru. Dosavadní legislativa totiž omezuje státní programy i soukromé kosmické společnosti, které se proto jaderným pohonem zatím nezabývají. Kevin Droegemeier, ředitel Úřadu pro vědeckou a technologickou politiku (Office of Science and Technology Policy) k tomu poznamenal, že jeho úřad tyto předpisy přezkoumá.

Příklon k jadernému pohonu představuje výraznou změnu kosmické strategie USA oproti předchozímu období. Někteří komentátoři ale upozorňují, že odezva přímo v NASA nemusí být jednoznačná, protože agentura doteď dlouhodobě dávala přednost robotickým misím s klasickým pohonem (chemickým nebo iontovým). Ještě 21. května na schůzi vědecké rady NASA její zástupci zveřejnili program misí do roku 2028, kde se s jaderným pohonem nepočítá. Další ranou pro jaderný pohon nejspíš bude případné zvolení Joe Bidena prezidentem, protože se dá předpokládat, že se vrátí ke kosmické politice Baracka Obamy - a ta byla likvidační.

Příliv peněz od politiků zřejmě bude NASA nutit k přehodnocení postoje k jadernému pohonu i k pilotovaným misím - a teoreticky by nic nemělo bránit program rychle rozjet, protože by nezačínala od nuly; zkušeností s termálním motorem už bylo nasbíráno hodně.

Ale nejen to. Houstonská společnost Ad Astra Rocket Company pro NASA vyvíjí plasmový motor s názvem VASMIR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). Už se jej podařilo udržet v chodu po dobu několika minut. Před praktickým využitím ve vesmíru je sice ještě nutné vyřešit řadu problémů, ale stálo by to zato. Pokud by totiž k němu byl k dispozici dostatečně výkonný zdroj elektrické energie (tedy jaderný reaktor pro nasazení ve vesmíru), cesta k Marsu by trvala jen 39 dní - tedy mnohem méně, než jsou dnes běžné turnusy posádek Mezinárodní kosmické stanice.

Jan A. Novák

 

Čísla

54,6 milionů kilometrů
nejmenší vzdálenost mezi Zemí a Marsem

401 milionů kilometrů
největší vzdálenost mezi Zemí a Marsem

254 dní
doba, kterou trval let k Marsu sondě Curiosity

39 dní
tak dlouho by trvala cesta na Mars lodi s plazmovým pohonem

You have no rights to post comments