Energie získávaná rozpadem jader atomů je přinejmenším kontroverzní. Zatímco tady na Zemi můžeme diskutovat o její (ne)bezpečnosti a o její (ne)nahraditelnosti, jsou místa, kde nenahraditelná opravdu je. Jsou to především výpravy kosmických sond do vzdálených končin sluneční soustavy.
Nemá co selhat!
Na palubách automatických družic zpravidla nenajdeme jaderné reaktory v pravém slova smyslu. Jsou totiž příliš rozměrné, těžké a mají mechanické (tedy porouchatelné) součásti, takže se neobejdou bez pravidelné údržby. Navíc jsou příliš provozně složité a ve stavu beztíže se dají těžko chladit.
Při kosmických letech je proto energie z jádra získávána trochu jinak, a to pomocí jaderných generátorů, přesněji radioizotopových termoelektrických generátorů (Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG). Jedná se o poměrně jednoduché zařízení, které využívá skutečnosti, že určité prvky (např. plutonium či uran) se rozpadají, přičemž vzniká teplo. A toto teplo lze proměnit na elektrickou energii.
Aby nedošlo k přehřátí generátoru, používá chladící lišty a nucenou cirkulaci pracovního plynu. Neobsahuje tedy vůbec žádné mechanické součásti, které by se mohly opotřebovat nebo selhat.
Kromě maximální spolehlivosti (jaderný generátor nikdy při kosmické misi neselhal!) je zde ale přece jen jedna nevýhoda, spočívající v poklesu výkonu s ubíhajícím časem – s tím, jak „vyhořívá“ použité palivo. Například americká sonda New Horizons v okamžiku startu (leden 2005) dávala 228 W energie, ale u planety Pluto (průlet plánovaný na rok 2015) to už bude jen 174 W.
Kde jen Slunce nestačí?
Pro automatické sondy, vydávající se do okrajových oblastí sluneční soustavy, jsou jaderné generátory v současnosti jediným možným zdrojem energie. Sluneční baterie se používají nanejvýš na sondách mířících k Marsu (je od Slunce průměrně 1,5krát vzdálenější než Země), maximálně jen kousek za jeho dráhu. Pro lety ke všem ostatním planetám (Jupiter, Saturn, Uran, Neptun…) a vzdálenějším tělesům jaderné generátory zkrátka potřebujeme.
Dalším místem jejich použití jsou družice na oběžné dráze kolem Země. Některé jsou extrémně energeticky náročné, takže použití slunečních baterií u nich z technického hlediska nepřichází v úvahu. Typickým představitelem této kategorie družic jsou vojenské satelity s výkonnými radary.
Jaderné generátory pro použití ve vesmíru dosud dokázaly vytvořit jen Spojené státy a Rusko (dříve Sovětský svaz). Zatímco Amerika jich do vesmíru vypustila přesně 25, Rusko několik desítek, ale přesná a spolehlivá statistická čísla jsou utajena. Už z tohoto počtu je patrné, že nejde o kdovíjak rozšířenou technologii, ale skutečně o velmi speciální aplikaci.
Jak to celé funguje?
RTG je jednoduchý elektrický generátor, který získává energii z radioaktivního rozpadu – vhodný radioaktivní materiál se rozpadá, čímž vzniká teplo, které je následně přeměňováno na elektřinu. Svým způsobem může být RTG považován za baterii. Dodává několik set wattů energie, ale velmi dlouho a velice spolehlivě.
Konstrukce celého zařízení je z hlediska jaderné technologie až neskutečně primitivní. Hlavní částí představuje kontejner s radioaktivním materiálem (palivem), na jehož stěnách jsou termoelektrické dvojice (nejčastěji křemíko-germaniové, SiGe) s pohlcovači (tepelné) energie. Teplo vznikající radioaktivním rozpadem se koncentruje v pohlcovačích, čímž vytváří v termoelektrických párech elektřinu.
Jedná se tedy o zařízení, které pracuje na principu takzvaného Seebeckova efektu. Ten vychází z toho, že dva určité druhy kovů (nebo polovodičů) mohou pohybem částic „vyrábět“ (kondukovat) elektřinu. Jsou-li navzájem spojeny v uzavřené smyčce a pokud se každý z nich nachází v jiné (rozdílné) teplotě, vzniká ve smyčce termoelektrické napětí.
Čím se dá zatopit?
Radioaktivní materiál v RTG však musí mít určité nezbytné vlastnosti. Jeho poločas rozpadu musí být dostatečně dlouhý, aby byl schopen po „rozumnou“ dobu průběžně produkovat energii. Zároveň však musí být dostatečně krátký, aby generoval dostatečně velké množství tepla. Pro využití v kosmu hraje současně důležitou roli i hmotnost a objem RTG.
První dvě kritéria vědce limitují na méně než 30 využitelných izotopů. Jako nejvhodnější se přitom jeví plutonium-238, dále pak curium-244 a stroincium-90. Použitelné je rovněž polonium-210, promethium-147, cesium-137, cerium-144, ruthenium-106, kobalt-60, curium-242 a thulium.
Přitom plutonium-238 má nejnižší požadavky na stínění (jen 2,5 mm), které v mnoha případech není potřeba vůbec, stačí jen vlastní stěna kontejneru. Jeho poločas rozpadu je 87,7 roku, krom toho produkuje mimořádně nízké množství záření gama a radiace.
Odpad není použitelný na jaderné zbraně
Velkou výhodou RTG je bezpečnost, neboť v těchto zařízeních neprobíhá žádná řetězová reakce. Roztavení RTG tudíž není možné! A materiál z něj není použitelný na jaderné zbraně, takže jediné nebezpečí představuje radioaktivita.
Vedle mnoha výhod však mají RTG i určité nedostatky. Jsou například neefektivní! V praxi se jejich účinnost zpravidla pohybuje mezi třemi až sedmi procenty (počáteční tepelný výkon běžných amerických RTG je 4400 wattů, ale elektrický jen 290 wattů, což představuje účinnost 6,6 procent). Laboratorně bylo sice dosaženo i 20 procent, ale to zase přinášelo výrazně vyšší provozní teploty. Nicméně na druhé straně by takovéto RTG mohly pracovat s menším množstvím radioaktivního materiálu a měly by i menší hmotnost.
Shořel satelit bezpečně?
První americké kosmické těleso vybavené jaderným generátorem byla navigační družice Transit 4A, která se do vesmíru vydala 29. června 1961.
Jen o několik let později, 21. dubna 1964, došlo k testu bezpečnosti jaderného generátoru v praxi. Tehdy selhal druhý stupeň rakety Thor-Able, který vynesl družici Transit 5BN-3 až do dvou tisíc kilometrů nad jižní pól, ale nedokázal jí udělit orbitální rychlost. Satelit se pak vrátil zpět do atmosféry, kde shořel. Na jeho palubě byl cca jeden kilogram plutonia-238. Oficiální reakce Pentagonu (provozovatel družice) byla „částice budou zcela rozptýlené, nebudou představovat zdravotní riziko“. Monitorování radioaktivity bylo tehdy v plenkách, takže toto konstatování nebylo možné ověřit z nezávislých zdrojů.
Po armádě začala jaderné generátory používat i civilní NASA. Její bezpečnostní pravidla přitom byla velice přísná a pro zařízení s radioaktivním materiálem se dala charakterizovat dvěma slovy: „přežít havárii“. Jinak řečeno: ani v případě nejhoršího představitelného scénáře nemělo dojít k poškození zařízení a úniku radioaktivity.
Po havárii znovu start!
Životaschopnost této filozofie se prokázala 18. května 1968 při havárii rakety s meteorologickou družicí Nimbus-B. Po dosažení výšky 30 kilometrů trosky dopadly u ostrova San Miguel, kde se potopily do hloubky 100 až 200 metrů. Následovalo šestiměsíční pátrání po troskách, které bylo nakonec korunováno úspěchem poté, co se oba RTG zdroje podařilo najít.
Nejenže byly zcela neporušené, ale NASA je dokonce znovu použila a už 14. dubna 1969 se vydaly znovu do vesmíru na další družici Nimbus. NASA se nicméně rozhodla zrušit všechny budoucí programy družic na oběžné dráze Země, na jejichž palubě by byly RTG.
Pád z vesmíru dopadl dobře
Jaderné generátory poté zamířily na Měsíc v rámci programu Apollo. Původně se s nimi počítalo při dlouhodobých pobytech na povrchu nebo pro pohánění vozítek s astronauty, ale po okleštění programu vzaly tyto vize za své. Nicméně jaderné generátory letěly coby zdroje energie pro přístroje rozmístěné astronauty na lunárním povrchu.
Poprvé tak byly použity při druhém měsíčním přistání, Apollo-12 (14. listopadu 1969). A hned při následující příležitosti (Apollo-13 v roce 1970) měly možnost prokázat svoji bezpečnost, když loď pro technickou závadu (během cesty explodoval zásobník kyslíku) nepřistála na Měsíci a musela se nouzově vrátit.
Spolu s lunárním modulem tehdy vstoupil do atmosféry také RTG generátor. Jeho trosky dopadly do Tichého oceánu do míst, kde je hloubka přes sedm kilometrů. Žádný vzorek atmosféry či vody ani tehdy ani dodnes neprokázal jakkoliv zvýšenou radioaktivitu, přičemž měření provedla NASA i nezávislé instituce.
I sověti měli problémy
Zatímco americké RTG lze tedy považovat z provozního hlediska za bezpečné po všech stránkách, o sovětských protějšcích se to tak úplně říci nedá. Nehledě k tomu, že SSSR využíval ve vesmíru i klasické reaktory, tedy nejen generátory.
Jejich havárie měly proto mnohem horší důsledky, protože Sověti kvůli nedokonalosti své techniky používali více radioaktivního materiálu a chránili ho podstatně méně. Zato informace o haváriích chránili velice pečlivě! 24. ledna 1969 tak havarovala nosný raketa vynášející jedno z měsíčních vozidel Lunochod. A stejný osud ještě v tomtéž roce potkal jinou i další lunární sondu s RTG na palubě.
S křížkem po funuse!
Zatím poslední ruský problém s radioaktivním materiálem ve vesmíru se udál v roce 1996, kdy havarovala raketa se sondou Mars-96. Ta měla na své palubě čtyři RTG generátory, z nichž každý obsahující 200 gramů plutonia. Ty ale byly konstruovány podle zásady „bezpečný při nehodě“, takže při zániku sondy neškodně dopadly do Tichého oceánu.
Pikantní přitom bylo, že tehdejší americký prezident Bill Clinton osobně telefonoval australskému premiérovi Johnu Howardovi s tím, že Austrálii hrozí pád ruské družice s radioaktivním materiálem. Jenomže k hovoru došlo 24 hodin poté, co sonda zanikla v atmosféře… Americké letectvo totiž omylem sledovalo čtvrtý stupeň nosné rakety, který zůstal na oběžné dráze a který považovalo za nefungující sondu…
Generátory pro špiony
RTG generátory se však nepoužívají pouze v kosmonautice, ale mají také svá ryze „pozemská“ uplatnění. Najdeme je třeba ve špionážních zařízeních nebo jako zdroj energie na malých neobydlených ostrovech (pro dlouhodobý meteorologický či zpravodajský monitoring).
Sovětská rozvědka kdysi používala zařízení vybavená RTG pro špionáž, kdy je rozmístila poblíž leteckých základen v západní Evropě. S těmi je navíc problém dodnes, protože díky špatnému vedení záznamů se všechna zařízení nepodařilo po ukončení studené války najít a odvézt. Jsou zaznamenány i případy, kdy RTG našli sběrači kovů a následně je rozebrali. Naštěstí se nic nestalo.
Používají se i třeba kardiostimulátory s plutoniem. Zde je zase nebezpečí, když nositel tohoto zařízení zemře a na kardiostimulátor se zapomene. Při kremaci pak může dojít k uvolnění radioaktivního obsahu. Výrobci se však zapřísahají, že kontejner s plutoniem je v daném případě konstruován tak, aby kremaci přežil bez úhony…
Ruská družice spadla do Kanady
Kromě RTG se ale na kosmických zařízeních objevily i skutečné jaderné reaktory. Postupem času se však od nich pro velkou technickou i technologickou náročnost upustilo.
Navíc bylo jejich používání, narozdíl od RTG, poměrně nebezpečné. Svědčí o tom třeba případ z 25. dubna 1973, kdy severně od Japonska dopadla sovětská družice pro vojenské sledování oceánů Rorsat s 50 kilogramy uranu-235 na palubě… Sovětská bezpečnostní filozofie přitom byla velmi vágní. A zajištění bezpečnosti při startu nebo vstupu družice do atmosféry, bylo prakticky nulové. Jen na oběžné dráze byly reaktory při dosluhování družice naváděny na vyšší dráhy, odkud měly pomalu sestupovat, takže jejich radioaktivita měla poklesnout přirozenou cestou.
To fungovalo až do 24. ledna 1978, kdy selhala družice Kosmos-954 a dopadla na území Kanady. Speciální oddíly v rámci operace Morning Light (Rozbřesk) prohledaly při pátrání po troskách desítky tisíc kilometrů čtverečních. Podařilo se jim zachránit asi jedno procento z původní hmotnosti družice a jen jediný kousek z toho vykazoval slabou radioaktivitu. Sovětský svaz poté zaplatil polovinu nákladů na záchrannou operaci. Co je ale zajímavé, trosky reaktoru byly předány Američanům, kteří i z velmi kusých informací dokázali sestavit jeho podobu.
Podobný problém potkal družici Kosmos-1402 nad jižním Atlantikem v únoru 1983. Uvádí se, že z 33 družic typu Rorsat (kam patřily i Kosmos-954 a –1402) jich pět havarovalo při startu nebo v průběhu letu…
Kosmické sondy používající RTG
V poslední době byly realizovány nebo se připravují meziplanetární sondy, které jsou vybavené RTG:
Galileo – americká automatická stanice, která byla vypuštěna v roce 1989, aby o sedm let později dorazila k planetě Jupiter. Zde pracovala až do roku 2003, kdy byla zničena řízeným zánikem v hustých vrstvách atmosféry.
Cassini – sonda k planetě Saturn. Start 1997, přílet 2004. Pracovat má nejméně do roku 2008, spíše ale dále.
New Horizons Pluto-Kuiper Belt – automat vypuštěný v lednu 2006 k Plutu. Dorazit k němu má v roce 2015, ale půjde jen o průletovou sondu – bude pak pokračovat dál v cestě, na níž se pokusí zkoumat ještě nějaké těleso v oblasti Kupierova pásu.
Mars Science Laboratory – připravované půltunové vozidlo pro planetu Mars, které má být vypuštěno v roce 2009 (viz kresba). Pracovat má několik let, přičemž se díky RTG bude moci vydat do míst, která dosavadním sondám byla zapovězena: do hlubokých údolí, kopcovitého terénu apod.
Nejen kvůli elektřině
Unikátní vlastnosti radioaktivních materiálů se používá i k vyhřívání kosmických sond tam, kde nízké teploty hrozí poškozením citlivé elektroniky a kde je škoda plýtvat cennou elektrickou energií. Například vyhřívání přístrojové schránky robotů Spirit a Opportunity na Marsu se děje pomocí osmi radioizotopových článků (tzv. Radioisotope Heater Unit), které mají standardní výkon 1 W. Každý článek má podobu válečku o průměru 2,6 cm a délce 3,2 m, přičemž obsahuje 2,7 gramu oxidu plutoničitého (celý váleček má přitom hmotnost 40 g). Na sondě Cassini, která pracuje v hlubokém vesmíru na oběžné dráze planety Saturn, bychom takovýchto válečků našli hned 82!
