Evropský radionuklidový zdroj pro kosmické aplikace už dodává elektřinu

Nedávno se poprvé testovala produkce elektřiny z nového radioizotopového zdroje založeného na radionuklidu 241Am. Blížíme se tak k funkčnímu modelu. Lidstvu by se opět měla vrátit schopnost zajistit provoz sond a automatů za Jupiterem a v podmínkách lunární noci či marťanské písečné bouře a zimy. Společným úsilím vědců z Národní jaderné laboratoře NNL (National Nuclear Laboratory) a University v Leicesteru se podařil významný krok k funkčnímu modelu radionuklidového zdroje elektřiny pro vesmírné aplikace.

Dosavadní radionuklidové zdroje jsou založené na plutoniu 238Pu
V doposud využívaných radionuklidových generátorech se používá izotop plutonia 238Pu. Využívaly se u sond k Jupiteru a Saturnu, jako byly například Galileo nebo Cassini, i marsovském vozítku Curiosity. Toto plutonium se produkuje ozařováním neptunia 237Np ve speciálních reaktorech. Izotop neptunia 237Np je ve velkém množství ve vyhořelém jaderném palivu. Je tam izotopově čistý. Dalšími dlouhodobými izotopy neptunia jsou 236Np a 235Np s poločasy rozpadu 153 tisíc let a 396 dní, všechny ostatní izotopy mají poločas rozpadu nejvýše v řádu jednotek dní a rychle se přemění. Izotopy uranu 235 a 236 se však rozpadají samovolným štěpením a rozpadem alfa, které nevedou na neptunium 235 a 236. Po chemické separaci neptunia tak lze získat velké zásoby poměrně velmi izotopicky čistého neptunium 237.

K ozařování neptunia 237Np a produkci plutonia 238Pu se využívaly reaktory s vysokým tokem neutronů vybudované pro výrobu zbraňového plutonia. Ty byly v osmdesátých a devadesátých letech všechny uzavřeny. Od té doby se zásoby plutonia 238Pu dramaticky zmenšily. V posledních letech se sice NASA snaží o obnovu výroby s využitím výzkumných reaktorů. Zde se však dá vyprodukovat jen velmi malé nedostačující množství. Podrobně je problematika s nedostatkem plutonia 238 popsána zde a zde. O cestě za jadernými zdroji pak podrobněji zde.

Sonda New Horizons mohla prozkoumat zatím nejvzdálenější podrobně studovaný objekt ve Sluneční soustavě Ultima Thule pouze díky využití radionuklidových zdrojů elektřiny (zdroj NASA).

Sonda New Horizons mohla prozkoumat zatím nejvzdálenější podrobně studovaný objekt ve Sluneční soustavě Ultima Thule pouze díky využití radionuklidových zdrojů elektřiny (zdroj NASA).

Radionuklidové zdroje využívající americium 241Am
To je důvod, proč se evropská vesmírná agentura ESA rozhodla pro možnost využití americia 241Am. To lze získat z vyhořelého jaderného paliva. Pokud z něj separujeme plutonium a necháme ho delší dobu „uležet“, hromadí se v něm čisté americium 241Am. Jediné plutonium 241Pu se totiž přeměňuje přeměnou beta na americium. Všechny ostatní izotopy plutonia se přeměňují jinými typy rozpadu a nemohou vést k produkci americia. Chemicky pak lze vydělit čisté americium 241Am. Takto separované zásoby starého plutonia jsou ve velkém množství v britském přepracovacím závodu Sellafield. To byl i důvod, proč vývoj evropského radionuklidového zdroje probíhá ve Velké Británii. Oba izotopy mají své výhody a nevýhody. Hlavní výhodou plutonia 238Pu je, že poločas rozpadu je sice dostatečně dlouhý pro většinu plánovaných misí, ovšem je zhruba pětkrát kratší, než americia 241Am. Pro stejnou aktivitu a tedy i tepelný výkon stačí pětkrát menší množství radionuklidu. Další výhodou je, že plutonium 238Pu nemá téměř žádnou aktivitu gama a nemusí se řešit problém se stíněním záření gama. Hlavní výhodou americia 241Am je pak jednodušší získání z vyhořelého jaderného paliva bez nutnosti ozařování ve speciálním reaktoru. Podrobnější rozbor vlastností obou radionuklidů a jejich srovnání je zde.

Způsob produkce americia 241Am z vyhořelého jaderného paliva.

Způsob produkce americia 241Am z vyhořelého jaderného paliva.

Dosažené úspěchy a první testovací prototypy
V laboratořích NNL se podařilo vyřešit chemickou separaci americia ze starého plutonia a vyrobení tablet, které se hodí pro využití v radionuklidovém zdroji. Připravují se tři typy zdrojů. Malý tepelný zdroj o výkonu 3 Wt, malý termoelektrický zdroj s výkonem 5 – 20 We a nakonec větší elektrický generátor využívající Stirlingův motor s výkonem 100 We. V současné době se testuje prototyp termoelektrického generátoru s výkonem 10 W, který dokáže rozsvítit žárovku. Omezení je zatím dáno hlavně množstvím vyprodukovaného americia a také nutnosti dokončit vývoj a přípravu jednotlivých komponent.

Splnění dalšího postupového cíle ukazuje, že je vše na dobré cestě, aby už brzy měla Evropa potřebné jaderné zdroje pro své vesmírné výboje. Je to velmi důležité pro návrat na Měsíc, kdy je třeba zajistit teplo a elektřinu i během čtrnáctidenní měsíční noci, pro intenzivnější aktivity na Marsu a hlavně pro studium vnějších částí Sluneční soustavy. Pro zájemce je starší podrobnější článek o jaderných zdrojích pro vesmír zde a nedávná populární přednáška prezentovaná na hvězdárně v Brně je nahrána zde.

Psáno pro servery kosmonautix, oenergetice a Osel.

Evropský radionuklidový zdroj pro kosmické aplikace už dodává elektřinu, 4.9 out of 5 based on 20 ratings
Pin It
(Visited 4 004 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 4.9/5 (20 votes cast)
(Visited 4 004 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


31 komentářů ke článku “Evropský radionuklidový zdroj pro kosmické aplikace už dodává elektřinu”

  1. Kamil napsal:

    Tak přišel čas sond k Uranu a Neptunu?

  2. Alois napsal:

    Pro obyvatelnou základnu na Měsíci bude ale potřeba výkon v desítkách kW, to asi termoelektrické generátory nezajistí.

    • peter napsal:

      to každopádne, ale článok sa venuje prevádzke sond a automatov, o zásobovaní obývateľnej základne na Mesiaci tam nieje ani len náznak

      • jregent napsal:

        Diky za clanek

      • Alois napsal:

        Píše se tam o návratu na Měsíc a v té souvislosti i o 14-ti denní noci, tím návratem nejsou určitě myšleny automaty, ty se již na Měsíc vrátily a noc na Měsíci pro ně není problém.

        • Návrat automatů na Měsíc je zatím velmi omezený a přežití během měsíční noci opravdu není bez problémů a určitě není možné bez radionuklidových zdrojů. Například i čínská zařízení, která přistála na Měsíci měla malé radionuklidové zdroje tepla a dokonce i malý radionuklidový zdroj elektřiny (radionuklidy z Ruska). To, že hlavně kvůli nedostatku radionuklidu mají jen velmi omezenou kapacit, bylo i důvodem, proč se studentský biologický experiment zastavil ještě před začátkem měsíční noci a trval jen krátce. Nový radionuklidový zdroj ESA by měl být prioritně použit pro automaty podobné třeba Curiosity, které by zkoumaly horniny a svážely je do míst, odkud by se transportovaly na Deep Space Gateway nebo na Zemi. V případě podpory lidské základny potřebujete také řadu automatických zařízení, které vystačí se stovkami wattů. Pro větší výkony by se pak využily reaktory, jako bude třeba kilopower.

          • Jiný Honza napsal:

            Zkonstruovat automat s radioaktivním tepelným zdrojem je jistě jednoduší. Ale říct že bez něj to nebude možné je docela odvážné tvrzení. Podobně jako většina kategorických tvrzení o tom, co nikdy nebude možné. 🙂

          • Pozor. Nemluvíme o nějaké vzdálené neurčité budoucnosti s nějakými diametrálně odlišnými novými technologickými možnostmi, ale o současném návratu na Měsíc. Tedy v řádu nejbližších desetiletí. A v tomto případě si za svými výroky, že to bez jaderných zdrojů nebude možné, stojím.

          • Jiný Honza napsal:

            No tak to se neshodneme. Podle mě je to jen otázka dostatečné akumulace energie a izolace. Tedy zjednodušené, s dost velkou baterkou obalenou dost vrstvami pokovené fólie to fungovat bude. A k tomu samozřejmě odpovídající plochu FV panelů. Já neříkám, že to bude lehké, elegantní a levné. Ale technologicky to nebude problém.

        • Vojta napsal:

          Právě, že to problém je. Zamrzlé baterie a elektroniku už nemusíte rozjet. Obvykle se to řeší několika malými radioizotopovými zdroji tepla (tak to měly už Lunochdy), takže by se Americium mohlo hodit i tady.

          • Vojta napsal:

            Omlouvám se, nějak jsem si nevšiml, že pan Wagner už panu Aloisovi odpověděl.

          • Alois napsal:

            Radioizotopové zdroje tepla jsou něco jiného než radioizotopové zdroje elektřiny, článek je o tom druhém, mimochodem zdrojem elektrické energie na čínských sondách jsou fotovoltaické články a totéž platí o připraveném landeru z Indie.

          • Jak popisuji v článku, i třeba v té přednášce, tak vývoj v NNL je věnován třem typům zdrojů na bázi americia. Malým tepelným zdrojům, těm které nyní zajišťují tepelnou pohodu i třeba zařízením, které se při získávání elektřiny spoléhají na fotovoltaiku a během noci nebo zimy spí (třeba lunochody nebo Oportutity). Pak malé zdroje elektřiny na bázi termočlánku pro výkony okolo 10 W a nakonec zdroje s výkonem 100 W na bázi Stirlingova motoru. Pokud však chcete mít něco výkonnějšího na Měsíci a na Marsu, co může mít větší hmotnost a více přístrojů a nebude vám velkou část doby v hibernaci (třeba jako vozítko Curiosity nebo automatické laboratoře, které na Měsíci nechaly výpravy Apolla), tak potřebujete mít radionuklidové zdroje elektřiny.

      • ldx napsal:

        Na takové účely tuším NASA už vyvinula malé jaderné reaktory “kilopower”.

        Zase to Americium ma myslím tu výhodu, že pro mise typu Voyager by vydrželo podstatně déle, při o dva řády rychlejším pohonu (iontový motor) až k nejbližším hvězdám.

        • Správná poznámka. Americiové zdroje by se daly využít pro aparáty pracující řadu desetiletí až století. S možností přesunu z místa na místo (iontový motor). Takže třeba dlouhodobý průzkum objektů v Kuiperově pásu a osahání nejbližšího mezihvězdného prostoru. Pro lety k nejbližším hvězdám to sice není, ale k jejich přípravě ano. Pochopitelně si uvědomuji, že tak dlouhodobá výdrž ostatních komponent sondy a její morální zastarávání může být ještě větší problém.

    • Hawk napsal:

      Souhlasim, ale uprimne, tim tempem jak pilotovana kosmonautika postupuje se tim nemusime moc trapit. Staci nehoda a harmonogramy jsou v haji. Budeme radi, kdyz se dozijeme par pilotovanych vysadku na Mesici. A treba v te dobe, nekdy v druhe pulce stoleti, uz bude akumulace energie vymakana tak, ze je FVE panely pres den nabiji a baterie utahnou chod zakladny pres lunarni noc.
      U nepilotovane kosmonautiky je otazka zda se vubec v dohlednejsi dobe(horizont cca 10-15 let) dockame treba rychlejsi verze Voyageru.

      • frank napsal:

        já bych byl raději, kdyby se toho dožili všichni ti, kteří již na Měsíci přistáli. To už se nestane, ale ještě žijí čtyři z nich…

        • Alois napsal:

          Pokud by se letělo v roce 2024, jak hlásá viceprezident USA, tak se toho někdo z nich mohl dožít.

        • Hawk napsal:

          Frank: Jako pubertak jsem nekolikrat prelouskal knizky od Pacnera(Mesta v kosmu, Polidstena Galaxie), myslim ze v Mestech kosmu byla veta ,ze se lidstvo do roku 2000 urcite vrati na Mesic, tenhle vyvoj asi tenkrat necekal ani nejhorsi pesimista.
          Mozna KDYBY tenkrat byla N1 uspesna, Amici by museli udrzet Apollo v chodu, tak jsme nekde jinde a rada veci neresi, nebo byla vyresena. Vedle zakladny by se “soupnul” reaktor, Zeleni by si nanejvys parkrat zahykali, ale jelo by se dal.

          • Radim Pretsch napsal:

            Pokud by Rusové dokázali zázrakem zprovoznit N1, mohli by na Měsíc vyslat dvoučlenou posádku s tím, že na povrch by se vydal pouze jeden kosmonaut. Samotní Rusové dnes zpětně hodnotí takový experiment jako sebevraždu a ve světle zkušenosti Apolla jako nerealizovatelný.

            Pokud by se však Rusům přece jen podařilo na Měsíci přistát (a taková náhoda snad ani není možná) a vrátit se na Zemi, byl by takový let maximem. Stejně jako pokus o raketoplán nijak neovlivnil STS, ani případný ruský (pokus o) let na Měsíc by neměl žádný vliv na Apollo.

          • Vítek napsal:

            Já si myslím, že i kdyby N1 nakonec po technické stránce fungovala, tak ti Rusové by to nedokázali ufinancovat, nějaké pravidelné starty N1 a časté mise na Měsíc. Skončilo by to možná po pár expedicích, jako Apollo. Uvádí se, že do sovětského lunárního programu byly nality jen asi dvě třetiny potřebných financí (vůbec se třeba nezaplatil testovací stand pro první stupeň N1) a to nepochybuji o tom, že Rusové na ten Měsíc fakt chtěli, už jen kvůli závodům s USA.

          • maro napsal:

            I kdyby byla N1 úspěšná, tak by se nic dál nedělo. Lidská noha na Měsíci byl politický cíl. A když k tomu došlo, už by se nic dál nedělo. Nezapomeňte, že svět byl ve studené válce a proto bylo nutné pracovat na úplně jiných raketách. Balistických, startujících ze sil a z ponorek, raketách protivzdušné ochrany. A to stojí hromadu peněz. Ten vývoj by nebyl o moc jiný i s funkční N1.

          • Racek napsal:

            Přesně tak, pane Maro.Střízlivě řečeno, tehdejší prostředky stačily na splnění politického zadání, ovšem na širší výzkum vč. lunárních základen a pod. nestačila ani ekonomika tehdejších USA. Navíc tehdejší dopravní systém Saturn – Apollo (a ještě spíše N1 – Sojuz) nebyl zrovna nejbezpečnější, vzhledem k tehdejší úrovně techniky. Udržování trvalé základny na povrchu Měsíce také bude pravděpodobně řádově dražší než pouhý let tam a zpět. Nezapomeňme na vybavení, zásoby, vědecké přístroje, dopravní prostředky … Takže pro příštích 20 let budou lunární základny spíš takové lepší boudy pro pár dní přespání.
            Mimochodem, na provoz lunární základny nebudou stačit prostředky o výkonu desítek kilowat, ale spíš stovek pro udržení až tisíců pro všětší smyslplné programy. Na to rozhodně zdroje využívající Americia či Plutonia stačit nebudou. Prostě staré dobré reaktory. Jenomže ty jsou furt moc těžké, s těmi jejich turbínami a výměníky …

          • V případě kilopower a podobných reaktorů se předpokládá využití Stirlingova motoru. Pro vyšší výkony dosahující zlomku nebo celých megawattů už by určitě byla nejvhodnější turbína. Velkým problémem je v případě neexistence atmosféry a ve vakuu chlazení. Takže opravdu nebudou zařízení pro tak vysoké výkony malá.

    • casso napsal:

      tento clanok je o zdrojoch pre nepilotovane lety…

      energetickym zdrojom pre pilotovane lety moze byt napr. kilopower o ktorom sa aj tu na kosmonautixe co to popisalo.

      k pilotovanemu letu na mars treba este vela dielov skladacky, zdroj energie asi taky problem nebude.

  3. Pavelll napsal:

    Super uspech evropske kosmonautiky! 🙂 Diky za clanek.

  4. maro napsal:

    Škoda, že nejde to záření gama taky nějak transformovat na užitečnou elektřinu.

    • pbpitko napsal:

      241AM ako takmer čistý alfa žiarič má cca 99% vyžiarenej energie sústredenej v kinetickej energii alfa častíc. na žiarenie gama pripadá necelé 1% !
      😮

    • Už to bylo zodpovězeno. Podíl energie uvolněné v podobě gama záření je malý. Navíc stínění toto záření pohltí a to se přemění na teplo, takže se v podobě tepla využije.

      • pbpitko napsal:

        Energetický podiel gama je tak nepatrný že sa neoplatí o tom ani diskutovať, nie to ešte realizovať !

      • pbpitko napsal:

        Energetický podiel gama je tak nepatrný, že sa o ňom neoplatí ani diskutovať, nie to ešte realizovať !

Zanechte komentář