Dokud nám hojnosti elektrické energie není odepřeno vlivem bouří nebo různých výpadků, dodávka elektrického proudu je tak běžná, že ji považujeme za samozřejmou. Stačí se jen připojit k jakékoliv zástrčce. Solární systémy hojně používané ve vesmíru na druhou stranu neposkytují takto jednoduchý přístup k elektrické energii. V současnosti je u vesmírných sond a družic energie obvykle generována solárními panely, které přeměňují sluneční energii na elektrickou, nebo také radioizotopovými generátory, které na elektřinu převádějí teplo z přirozeného rozpadu plutonia 238. Solární i radioizotopové systémy ale mohou být pro budoucí mise nepraktické a to zejména tam, kde je sluneční záření slabé nebo nedostupné, a také tam, kde je potřeba více energie než jen několik stovek wattů. NASA proto v současnosti testuje klíčový zdroj elektrické energie, který by zajistil její dostatečnou dodávku během pilotované výpravy na Mars. A nejen to.

Tím klíčovým zdrojem má být štěpný reaktor, který známe z běžných jaderných elektráren. Takový reaktor však váží i několik stovek tun a je nesmírně komplikovaný. Odborníci z NASA a dalších výzkumných ústavů a soukromých firem v USA tedy mají za úkol reaktor zjednodušit a zmenšit do takové podoby, aby byl jednoduše použitelný u řady vesmírných aplikací.  Štěpná energie z jaderných reaktorů by mohla poskytnout dostatek elektřiny kdekoliv, kam by se mohli vydat lidé nebo robotické sondy, a kde není dostatek kontinuálního přísunu slunečního záření, jako jsou například trvale zastíněné krátery na Měsíci nebo vzdálené končiny Sluneční soustavy.

Při štěpení, které je rozdělením atomárního jádra, je uvolněno značné množství tepelné energie – půl kilogramu uranu dokáže vyprodukovat přibližně stejné množství energie jako 14 tun uhlí. S uvedeným energetickým potenciálem představuje štěpná reakce ideální řešení projektu Kilopower. A právě tento projekt má pod svými křídly Glennovo výzkumné středisko, které se snaží demonstrovat provozuschopnost této technologie za extrémních podmínek v místech s limitovaným nebo úplně chybějícím slunečním svitem. Na základě předchozí práce NASA je hlavním cílem navržení, sestavení a otestování experimentálního prototypu reaktoru.

Od počátku 70. let se NASA v řadě výzkumných programů pokoušela vyvinout spolehlivý jaderný reaktor pro vesmírnou aplikaci. Výsledky byly vždy neuspokojivé a jediný americký reaktor, který se dočkal výpravy za hranice zemské atmosféry, byl SNAP-10A v roce 1965. Obecně lze říci, že veškerá řešení byla příliš komplikovaná a drahá nebo závislá na nových a neozkoušených materiálech a postupech. V roce 2010 byla uskutečněna technologická studie za účelem zjištění schopnosti štěpných reaktorů poskytnout alternativu k radioizotopovým termoelektrickým generátorům. V roce 2012 pak Glennovo výzkumné středisko NASA spolu s Národní laboratoří v Los Alamos demonstrovalo schopnost malého a inovativního štěpného reaktoru poskytnout elektrickou energii s využitím principu Stirlingovy přeměny energie. Experiment, při kterém bylo generováno 24 W elektrické energie, trval méně než 6 měsíců a stál méně než 1 milion amerických dolarů. Důkaz funkčnosti poskytnutý tímto experimentem posloužil jako základní pilíř projektu Kilopower, jehož účelem je demonstrace připravenosti monolitického energetického systému pro budoucí průzkumné mise NASA.

Projekt Kilopower probíhá od roku 2015 pod záštitou programu Game Changing Development a spolupracuje na něm NASA spolu s Národním úřadem pro nukleární bezpečnost NNSA. Cílem je během tří let navrhnout, postavit a otestovat prototyp štěpného reaktoru při horní hranici rozpočtu stanovené na 20 milionů dolarů. Návrh a stavba reaktoru jsou tedy za námi a projekt se posunul do poslední fáze – testování. To započalo v listopadu minulého roku a bude probíhat ještě v první polovině roku letošního. „Testovací program Kilopower nám poskytne důvěru v připravenost této technologie na vývoj letového exempláře,“ uvedl Lee Mason, vedoucí technolog pro výrobu a skladování elektrické energie v NASA.

Jaderný reaktor o výkonu 1 kW elektrické energie byl navržen a sestaven za pomocí technologií relevantních pro systémy do 10 kW. Reaktor se skládá z jádra vysoce obohaceného uranu 235 sestaveného NNSA, tepelných trubic firmy Advanced Cooling Technologies a Stirlingových generátorů od firmy Sunpower. Jádro je monolitickým blokem uranové slitiny, kolem něhož jsou ovinuty pasivní sodíkové tepelné trubice, které odvádí teplo do Stirlingových generátorů, kde se přeměňuje na elektrickou energii. Stirlingův generátor používá teplo k vytvoření tlaku na píst, který je propojen s alternátorem, jenž vyrábí elektrický proud. Jedná se o vůbec první použití tepelných trubic k extrakci tepla ze štěpného reaktoru, a stejně tak o první použití Stirlingova generátoru pro výrobu elektrické energie, kdy je zdroj tepla zajištěn štěpným reaktorem. Jelikož je Kilopower mnohem menší než běžné jaderné reaktory, lze jej testovat v existujících zařízeních v Nevadě.

Projekt Kilopower byl spuštěn z důvodu plánů NASA uskutečnit mise za oběžnou dráhu Jupiteru a na povrchu Měsíce a Marsu, kde je získávání energie ze Slunce obtížné a pro energii z radioizotopových termoelektrických generátorů není k dispozici dostatek paliva. Předběžné koncepty NASA předpokládají, že pro prvotní obyvatelné základny v hlubokém vesmíru bude potřeba sestava několika 10 kW systémů Kilopower, které poskytnou po dobu minimálně 10 let nejméně 40 kW energie nutné pro základní operace s tím, že celý systém bude možné rozšiřovat při budoucím růstu základen. Bezpilotní sondy na druhou stranu vystačí s jednou jednotkou Kilopower o výkonu 1 kW, která poskytne dostatek stabilní energie pro vědecký výzkum a komunikaci.

Vlastnosti štěpného reaktoru, které jsou příznivé pro základnu na Marsu či robotické operace v hlubokém vesmíru kladně ovlivňují také možnosti realizace dalších vesmírných projektů. Systémy štěpného reaktoru mohou být využity k napájení nukleárních elektrických pohonů, které zajistí efektivní dopravu těžkého nákladu k Marsu a dál, nebo výrazně zkrátí dobu pilotovaných výprav k Marsu a jiným planetám. Bude jimi možné napájet lidské základny na povrchu Měsíce a Marsu a díky tomu získat dostatek elektrické energie i v době místních nocí. Potenciální lokace pro základny a místa přistání na Marsu by se mohly rozšířit dále od rovníku a dosáhnout polárních oblastí. Budeme moci častěji vysílat vědecké sondy ke vzdáleným a atraktivním objektům Sluneční soustavy jako jsou Europa, Titan, Enceladus, Uran, Neptun nebo Pluto. Bude možné zásobovat energií ponorky na Europě, vzducholodě či drony na Titanu, nebo vzdálené mezihvězdné sondy. Komerční firmy budou mít zajištěnu dodávku energie pro náročnou těžbu na asteroidech nebo samy budou poskytovat služby dodávky energií díky systému Kilopower. A takto bychom mohli pokračovat. Nesmíme zapomenout ani na naši planetu, kde by bylo možné tento zdroj použít například v bezpilotních hlubokomořských výzkumných ponorkách nebo třeba na předsunutých vojenských základnách.

Závěrem jsme pro Vás připravili titulky k videu, které celý projekt ve zkratce poutavě popisuje.

Zdroje informací:
National Aeronautics and Space Administration, Kilopower Factsheet, Glenn Research Center, Cleveland, 2018.
Kilopower Media Event presentation, National Atomic Testing Museum, Las Vegas, 18. ledna 2018.
https://www.nasa.gov/
https://www.nasa.gov/
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://codigooculto.com/
https://www.nasa.gov/
https://www.nasa.gov/