Žijeme na sklonku nové éry letů do vesmíru. Na oběžné dráze Země pomalu, ale jistě dosluhuje doposud největší a nejsložitější kosmický projekt v dějinách –⁠⁠⁠⁠⁠⁠ Mezinárodní kosmická stanice ISS. Tato unikátní laboratoř nás učí, jak pracovat ve speciálních podmínkách panujících v blízkosti naší planety a to nepřetržitě již 24 let. Největší partneři tohoto projektu: Spojené státy, Rusko, Japonsko, Kanada a ESA řeší, jakým směrem se po éře ISS vydat. Geopolitická situace se výrazně změnila a do megalomanských mezinárodních projektů se nikomu moc nechce. Čína si na oběžné dráze vybudovala vlastní laboratoř –⁠⁠⁠⁠⁠⁠ Nebeský palác a má v plánu v těchto aktivitách i nadále pokračovat. Pracuje se i na pilotovaných misích k Měsíci, které budou spojeny s vybudováním trvalé základny na povrchu. Americký program Artemis je sice ambiciózní, ale postupuje kupředu velmi pomalu. Rusko se zmítá v krizi a jen těžko lze očekávat velké věci na vlastní pěst. Spolupráci na zamýšlené stanici Gateway na cislunární oběžné dráze kdysi odmítlo a růžově nevypadá ani jejich plánovaná účast na čínských projektech. Spojené státy pak ve velkém spoléhají na soukromý sektor. Ten slibuje stavbu menších kosmických laboratoří na nízké oběžné dráze (LEO). Dosud však není jisté, kdy přesně to bude. Zatím to vypadá, že se nepodaří vše stihnout do doby, něž bude ISS vyřazena, což by znamenalo přerušení letů do vesmíru s člověkem. Vznikají tedy návrhy a hojně se diskutuje. Následující roky nám v tomto odvětví přinesou mnoho nového.

Evropská kosmická agentura ESA, jejímž členem je i Česká republika, se v minulosti hojně podílela na nejrůznějších projektech s partnery po celém světě. Velkých vlastních projektů tak bylo logicky méně. Proto například nemá Evropa vlastní pilotovanou kosmickou loď nebo vlastní vesmírnou laboratoř. Časy se však mění a je třeba myslet na budoucnost. Soběstačnost se ukazuje být velkou výhodou, a tak je dost dobře možné, že ESA „otočí zvolna kormidlem“.

Ze Země do vesmíru a co pak?

Jedna změna je dnes už patrná. Kosmická doprava sice prochází neustálým vývojem už od úplných začátků, ale teprve komercializace sebou přinesla (konečně) i výrazné zlevňování. Díky tomu se rozšířil okruh potenciálních zákazníků. Došlo k větší optimalizaci a vzniklo nebo vzniká řada nosičů specializovaných pro konkrétní destinaci ve vesmíru. Jsou tu však dva odděleně segmenty. Za prvé segment, kterému říkejme třeba:

• Ze Země do vesmíru. Zde dochází k vývoji opakovaně použitelných kosmických raket s velkou kadencí, nebo s co největší, chcete-li. Čím dál větší důraz je kladen také na dopady na životní prostředí. (Pro mě celkem nepochopitelně, ale uvést to zde musím). Používá se v minulosti málo využívaný metan jako palivo a zlevňuje se i díky materiálům a způsobům výroby. V těchto ohledech se oba body protínají.

Druhý segment si nazvěme třeba:

• 

  Doprava po vesmíru. Náklad nebo náklady chceme dostat do finální destinace a proto je třeba mít pohonné systémy optimalizované pro kosmické prostředí, které jsou schopny dopravovat náklady na specifické oběžné dráhy Země i mimo ně (Měsíc, Mars atd.). Téměř vždy jsou pohony upravené pro práci v kosmu součástí horních stupňů raket, ale nemusí tomu tak být pokaždé. Inovace v této oblasti umožní servisování a údržbu v kosmu, ale i mise v mnohem rozsáhlejším měřítku. To znamená větší a těžší sondy apod. A samozřejmě snazší dopravu po Sluneční soustavě a možnost budovat základny na kosmických tělesech.

V současnosti se více zaměřujeme na první kategorii a v druhé pak řešíme nebo se chystáme v nejbližších letech řešit hlavně doplňování paliva, prodlužovaní životnosti, skladovaní pohonných látek v kosmickém prostoru a údržbu. V budoucnu bude ale třeba začít řešit i efektivní pohony pro dopravu ve Sluneční soustavě. Vývoj nových a účinných pohonných systémů je nezbytný, protože pohon je alfou i omegou vesmírné logistiky. Bez kvalitních pohonů by na oběžné dráze nemohla být prováděna žádná logistika a žádné služby. Nároky na služby v kosmickém prostoru se neustále zvyšují společně s tím, jak narůstají naše technické možnosti. Současné pohonné systémy tak přestávají stačit a je třeba se zamýšlet nad budoucností. Nejdříve se ale zastavme v nedávné minulosti.

Evoluce vesmírného pohonu

V dnešní době hojně využíváme v kosmu buď chemické motory se skladovatelnými pohonnými látkami, nebo elektrické pohony na solární energii. V současnosti nejvyužívanější raketa Falcon-9 společnosti SpaceX má horní stupeň, který jako palivo používá kerosin RP-1, tedy rafinovaný petrolej. Stejnou látku využívá i první stupeň. Oba typy motorů na Falcon-9 jsou si tedy velice podobné, což zlevňuje celý nosič, ale má to samozřejmě i své nevýhody. Palivo nelze například skladovat dlouhodobě v nádržích, a proto se nehodí pro delší kosmické mise. Na nízkou oběžnou dráhu je to však dostačující řešení. Palivo RP-1 bylo vyvinuto v polovině 50. let 20. století, kdy docházelo ke zvyšování výkonů raketových motorů a to s sebou přinášelo vyšší teploty a tlaky. Potřeba chlazení těchto výkonných motorů vedla k využití regenerativního systému chlazení. Což není nic jiného než chlazení a odvádění tepla z kritických částí motoru za pomoci chladících kanálu. Toto řešení můžete znát už ze známé rakety Saturn V, která dostala člověka na Měsíc.

První stupeň S-IC této rakety pohánělo 5 raketových motorů F-1 spalující RP-1 a kapalný kyslík. V Rusku (resp. bývalém Sovětském svazu) byla vyvinuta prakticky stejná paliva značená T-1 a RG-1. Všechny rakety z rodiny R-7 (např. Sojuz) ho úspěšně využívají. RP-1 postačí pro dopravu na dráhy v relativní blízkosti Země. Ovšem pro energeticky náročné mise nebo lety vyžadující dlouhou trvanlivost paliva se hodí využít spíše vodíkové motory, které mají vyšší specifický impuls, i ty však mají samozřejmě své nevýhody.
V současné době se pracuje na tom, jak se naučit v kosmu doplňovat a přečerpávat kryogenní pohonné látky potřebné k pohonu. Elektrické pohonné systémy pak pracují se stále větším příkonem. Přesto se obě technologie blíží svým fyzikálním limitům a extra zvýšení výkonu již není možné. K překonání těchto limitů a k posunutí vesmírné logistiky na novou úroveň bude třeba rozvinout jaderné pohonné systémy a jako první na řadu přijdou ty, které umožní dopravu po Sluneční soustavě.

Na chvilku ještě zůstaňme v historii. Jak už to tak bývá, i o využívání jádra v kosmonautice rozhodovala politika. Starší ročníky si jistě živě vybavují tzv. kosmické závody mezi USA a SSSR, ve kterých šlo zejména o to, mít nad rivalem technickou převahu, což tehdy znamenalo strategickou výhodu. Navíc neustále na obou stranách železné opony rostl strach z ovládnutí kosmického prostoru, ne nepodobný strachu ze zbraní hromadného ničení. Kolonizace Měsíce a ovládnutí tamních zdrojů byla vidina obchodní nadvlády a samozřejmě tu byly i vojenské zájmy. Právě tehdy a kvůli tomu se na obou stranách začalo vážně uvažovat o jaderném pohonu pro kosmické lety. V USA vznikl projekt NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications) rozvinutý ze staršího programu ROVER. A pozor, nezůstal jen na papíře! První zkoušku podstoupil motor NERVA XE v březnu 1969. Ano přesně toho slavného roku, kdy se lidská noha dotkla měsíčního povrchu. Testy pokračovaly a motor celkově úspěšně pracoval 3h a 48 min. Bylo dosaženo maximálního tahu okolo 25 tun. Okolo roku 1975 měl nahradit horní stupeň S-IVB rakety Saturn V. V plánu totiž původně bylo v rámci programu Apollo rozvíjet vesmírnou infrastrukturu mezi Zemí a Měsícem. Nový stupeň nesl označení RIFT (Reactor In Flight Test). Postupem času měl vzniknout ještě silnější nástupce o tahu 90 tun, ale k tomu už nedošlo. V USA zájem o lety do vesmíru po přistání na Měsíci rychle opadal a stejné to bylo i v Sovětském svazu, kde vyvíjeli od roku 1961 inženýři jaderný motor fungující na stejném principu.

Podrobnější informace přišly z Ruska až v roce 2014. Vladimir Nikolajevič Čelomej pracoval na raketě UR-700, která měla využít v jedné ze svých verzí nukleární pohon. Tato verze je někdy označována jako UR-700A. Na tehdejší dobu doslova nadčasový design, který byl vlastně záložním plánem pro případ selhání měsíční rakety N-1, na které pracoval slavný Koroljov. UR-700 byla v podstatě tlustá sestřička na steroidech rakety Proton (UR-500). Jaderný pohon měl být využit na horních stupních a umožnit tak vynést na oběžnou dráhu Země až 250 tun nákladu. Vznikl prototyp motoru RO-31 značený jako RD-0410 (RD-0411) tahu 3,6 tuny, jehož vývoj započal v roce 1964. Cílem vývoje měl být jaderný pohon z tahem až 200 tun. Kosmonautika se vezla na prvotní vlně nadšení z jaderné energie, které se předpovídala velká budoucnost. Motor RD-0410 prý dokázal pracovat i hodinu v kuse. Měl sice menší výkon než jeho tehdejší americký protějšek, ale za to byl zase lehčí. Jenže nic netrvá věčně. Strach z nukleární technologie narůstal. Veřejné mínění bylo protkané mýty a zbrojení na obou stranách železné opony obavy ještě prohloubilo. Na obou stranách se hromadně rušily projekty jako lodě, letadla a vlaky na zamýšlený jaderný pohon a vesmír nebyl ušetřen.

Smlouvy ze sedmdesátých let zakázaly jaderné testy v kosmu a v atmosféře. Z jádra se rázem stalo sprosté slovo a v takovém prostředí udržet jaderné pohony bylo téměř nemožné. K tomu nepříznivá ekonomická situace a zamýšlené ambiciózní projekty padaly jako domečky z karet. Program Apollo byl významně osekán a později úplně zastaven. Přednost dostaly raketoplány. Pořád se však pracovalo i s myšlenkou zapojení jaderných pohonů pro tzv. vesmírný tahač (Space Tug) v pozdější fázi programu STS. Raketoplány byly určeny pro práci na nízké oběžné dráze a na spojení s Měsícem a pro cesty dál, měl sloužit právě zmiňovaný tahač. Návrhy počítaly jak s pilotovanou verzí, tak pouze nákladní. Rozpočet se však neustále snižoval a v programu se Space Tug zrušil jako první. Na druhé straně opony se po fiasku s raketou N-1 pro změnu o přistání na Měsíci s lidmi už ani nepokusili. Práce na jaderném motoru RD-0410 byly zastaveny v roce 1985. Brzy totiž přišly jiné starosti a i zde se nukleární pohon odložil na neurčito. Vysněné lety k Marsu a dobývání Sluneční soustavy se tak posouvaly do daleké budoucnosti. V čem tkví ale výhoda jaderných raketových motorů? Proč zůstávají i po tolika letech nadále mantrou? Jak vlastně fungují a proč se o nich tolik hovoří ve spojitosti s budoucností letů do vesmíru? Tak právě na to se podíváme v další kapitole.

Pohony budoucnosti

Po nadějných predikcích budoucnosti v šedesátých letech dvacátého století, ve které se počítalo s kolonizací Měsíce a letu člověka na Mars, přišlo vystřízlivění. Hlavní roli mělo hrát jádro a jaderné pohony, ale doba tomu nebyla nakloněná. Místo toho jsme si kladli méně ambiciózní cíle a neustále zlepšovali chemické raketové pohony. Dlouhá léta byly projekty spojené s jádrem uloženy v šuplíku a hledělo se na ně spíše jako na kuriozitu. Zájem však od devadesátých let začal opět zvolna narůstat. Základní princip fungování jaderného raketového motoru je přitom celkem jednoduchý a zvládnutí této technologie, není v porovnání s některými chemickými motory nějak zvlášť obtížné.
Také jaderné motory pracují na reaktivním principu a existuje více typů. Jedním z nejznámějších je typ využívající pevné jaderné palivo (nejčastěji Uran-235). Reaktor zahřívá pracovní látku v kapalném stavu (nejčastěji vodík). Ta přijímá od reaktoru teplo a zvětšuje svůj objem a zároveň chladí reaktor. Mění skupenství na plyn a ten proudí tryskou a vytváří tah. Menší část putuje k čerpadlu, které pracovní látku přečerpává z nádrže do motoru. Pro snadnější pochopení jsem vytvořil velmi zjednodušené schéma fungování právě popsaného raketového motoru.

Problémem těchto motorů je poměr tahu k hmotnosti. Jsou totiž těžké. Ty moderní mají poměr asi 7:1, zatímco silné chemické raketové motory mají poměr třeba i 70:1. Což jasně ukazuje, že pro vzlet rakety se příliš nehodí, ale jako vesmírný pohon naopak fungují mnohem lépe než chemické motory. (Nutná poznámka: vesmírným pohonem je myšlena práce v podmínkách kosmického prostoru). Dosahují totiž vysokého specifického impulsu Isp. Což jednoduše znamená, že využívají pohonné hmoty mnohem efektivněji než chemické rakety. Isp je měřítkem toho, jak efektivně dokáže pohonný systém přeměnit kilogram pohonné látky na newton tahu. Čím vyšší Isp, tím efektivněji pohonný systém využívá pohonnou látku.

V současnosti jsou neúčinnější horní stupně raket využívající chemické raketové motory na kapalný kyslík a vodík, jako například RL-10 a deriváty. Náklad k planetě Mars dokáží dostat přibližně za 7 měsíců. Ve vhodném startovacím okně, které nastává přibližně jednou za 26 měsíců. Ostatní chemické motory to zvládnou za přibližně 9 měsíců ve stejném startovacím okně. To není příliš efektivní, ani obzvláště šetrné pro lety s posádkou. Řešení nabízejí právě jaderné pohony. Proudící kapalný vodík štěpným reaktorem se okamžitě odpaří na přehřátý plyn. A protože vodík je velmi lehký atom, opustí trysku velmi, velmi rychle. Mnohem rychleji než těžké molekuly vody H2O vzniklé spalováním kapalného kyslíku a kapalného vodíku. Tato rychlost může mít za následek Isp dosahující 900 až 1100 sekund! Nejlepší chemické motory dosahují Isp okolo 300 až 450 s. Což v praxi znamená zkrácení cesty na tři až čtyři měsíce na Mars! Navíc Uran-235 jako palivo má nejlepší energetickou hustotu oproti jiným palivům. Dřevo má energetickou hustotu za nejlepších podmínek 18-21 MJ/kg, uhlí mezi 20-33 MJ/kg a ropné produkty okolo 42-47 MJ/kg. Vodík okolo 142 MJ/kg, zatímco U-235 má od 80.000.000,0 MJ/kg! (MJ je megajoule. 1 megajoule = 1 milion joule.). A to činí jaderné palivo velmi atraktivním pro pohonné systémy. Jaderný pohon je asi dvakrát účinnější než chemické rakety a může zkrátit dobu letu a zároveň umožní navýšit nosnost. Zkrácení doby letu je zvláště důležité pro mise s posádkou, protože krátká doba cestování by snížila vystavení posádky škodlivému kosmickému záření. Využití jaderného pohonu je tak jedinou praktickou technologií, která umožní rozvoj vesmírných misí do vnějších částí sluneční soustavy, fotovoltaické solární panely jsou do tohoto prostředí nevhodné a u chemických pohonů se pohybujeme již na limitech. Jak funguje raketový motor na pevné jaderné palivo lze dobře vidět i na následujícím videu.

V současnosti je ostře sledovaný například projekt vesmírného tahače DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) agentury DARPA. Vzniká ve spolupráci s Lockheed Martin, BWX Technologies a NASA. DRACO má být dokonce opakovaně použitelný. Bude využívat jadernou tepelnou pohonnou technologii nové generace s nízko obohaceným uranem. Přičemž start zajistí americké vesmírné síly a proslýchá se, že demonstrátor  by mohl do vesmíru letět na raketě Vulcan společnosti ULA už někdy v roce 2027.

Cesta ke hvězdám otevřena díky jaderným bombám

Projektů spojených s jaderným pohonem je samozřejmě více, ale nebudeme hovořit o všech, protože to není hlavní téma článku. Nedá mi však, abych na tomto místě alespoň krátce nepřipomenul studii kosmické lodi Orion a obdobná řešení. Kosmická loď schopná mezihvězdného cestovaní je poměrně stará myšlenka. Teprve však matematik Stanislaw Ulam navrhl obecnou myšlenku jaderného pulzního pohonu v roce 1946. Ulam pracoval na vzniku atomové bomby v projektu Manhattan a jeho myšlenku kosmického plavidla pro mezihvězdné lety poté dále rozvedl slavný fyzik Freeman Dyson. Principem tohoto pohonu je vypouštění malých jaderných náloží za kosmickou loď. Při explozi by se vytvořená tlaková vlna opřela do lodi v zadní části s obřím štítem a tím by byl vytvořen impuls k pohybu. Osobně mi to přijde jako nejlepší využití atomové bomby, které se nabízí. Co myslíte?
Zájem byl i ze strany armády. Celý projekt spadal pod americké letectvo, NASA a agenturu DARPA. Loď Orion byla nadčasová, ale výpočty fyziků jasně dokázaly, že něco takového je skutečně proveditelné. V úvahu přicházely dva typy náloží. Při použití štěpných jaderných náloží měla loď dosáhnout 3 – 5 % rychlosti světla (299 792 458 m/s). Při použití termojaderných hlavic by teoreticky mohla rychlost stoupnout až k 10 % rychlosti světla. Což může působit možná málo, ale dosažení nejbližší hvězdy by díky tomu bylo možné za 44 let. Tedy v průběhu jedné generace. Samozřejmě by musel být v zadní části Orionu upevněn velký štít s tlumiči, který by zabránil zničení lodi i poškození zdraví případné posádky vlivem velkého zrychlení. Štít ale zároveň pomáhal pohonu jako odrazová plocha, jak už bylo řečeno. Jedním z hlavních problémů byla velikost. Účinnost stoupala s velikostí štítu, jehož rozměr měl mít v průměru až stovky metrů. Dostat něco takového na oběžnou dráhu vcelku představovalo a dosud představuje výzvu. Nabízí se stavba v kosmu, ale ani to by nebylo jednoduché.

Test pohonu za pomoci výbuchů byl ověřen na Zemi v Point Loma v San Diegu v roce 1959. Použity byly nálože bez jádra. Konkrétně RTX (chemické výbušniny). 14. listopadu 1959 jednometrový model, také známý jako „Hot Rod“ nebo „putt-putt“ dosáhl výšky 56 metrů v řízeném letu trvajícím 23 sekund. Testy byly zaznamenány na video a záběry byly zveřejněny třeba v televizním programu BBC „To Mars by A-Bomb“ v roce 2003 s komentářem Freemana Dysona a Arthura C. Clarka. Model přistál na padáku nepoškozen a je ve sbírce Smithsonian National Air and Space Museum.

To však bylo vše, co bylo učiněno. Prakticky však bylo dokázáno, že je něco takového možné. Britská meziplanetární společnost ještě na chvíli myšlenku oživila v projektu Daedalus mezi lety 1973 až 1978. Tehdy byla navržena loď s pulsním termojaderným pohonem, který byl založen na stlačení a ohřátí mikrokapslí složených ze směsi deuteria a helia (3He) pomocí svazků elektronů. Měly tak vzniknout mikrojaderné exploze a loď měla za čtyři roky dosáhnout 12 procent rychlosti světla. Carl Sagan napsal ve své knize Cosmos, že Leonardo Da Vinci byl zajatcem patnáctého století a technologie musela značně pokročit, aby jeho nápady mohly byt prakticky odzkoušeny a to stejné si myslím o podobných projektech dnes. Jsme jen zajatci doby a na cestovaní ke hvězdám je třeba si ještě několik generací počkat. Na tomto místě bych zájemcům o další informace doporučil článek kolegy Vítězslava Škorpíka  Mezihvězdné lety – realita či fikce?.

Projekt RocketRoll

Existuje ovšem několik dalších koncepcí motorů poháněných jaderným reaktorem. Zájem je zejména o dva typy jaderných pohonných systémů. Ten na pevné palivo jsme si již představili a tím druhým je jaderný elektrický pohon. Jaderný elektrický pohon přeměňuje tepelnou energii generovanou jaderným reaktorem na elektřinu, která se pak používá k ionizaci (kladnému nabíjení) hnacího inertního plynu (Xenon, Krypton). V posledním kroku je ionizovaná pohonná látka urychlena z trysky elektromagnetickým polem, které vytváří určité množství tahu a tlačí kosmickou loď vpřed. Princip je podobný klasickým iontovým motorů, které používají solární panely jako zdroj energie. S tím rozdílem, že zde dochází k přeměňuje tepelné energii generované jaderným reaktorem na elektřinu pro provoz iontových motorů s vysokým tahem. Toho lze například dosáhnout použitím výkonných vysokorychlostních turbín. Jedním z oříšků celého systému je odvod tepla. Budou třeba například vysoce účinné radiátory. Výsledkem je ale motor schopný fungovat bez solární energie. Což z něj činní zajímavý pohon pro sondy mířící ke vzdáleným cílům nebo s omezeným výhledem na Slunce. O tento typ je v poslední době celkem zájem. Je znám například ruský projekt kosmického tahače TEM, který trvá už více jak deset let. V současnosti je však značně podfinancovaný. V USA se hovoří o možném využití těchto pohonů v rámci programu Artemis. Jen pod křídly NASA je z posledních let známa řada projektů elektro jaderných pohonů. Například SAFE-30. Byl vyvinut v Los Alamos National Laboratory a Marshall Space Flight Center pod vedením Davea Postona. Projekt byl financován z vlastních peněz z rozpočtu laboratoře a prováděn většinou mimo běžnou práci výzkumníků. Zajímavostí bylo řešení problematického odvodu tepla. Ten byl řešen pomocí technologie nízkohmotnostních tepelných trubek. Zamýšlený reaktor měl asi 50 centimetrů, 30 centimetrů v průměru a vážil asi 512 kilogramů. Od roku 2019 však nemáme o SAFE-30 žádné nové zprávy a zdá se, že NASA navázala v projektu Kilopower, který stále běží. Zatím jsme ale mnoho o hlavním tématu článku nehovořili. Tak se tedy pojďme podívat do Evropy a na to, zda skutečně plánuje jaderné pohony využívat, a to ne za stovky let, ale v průběhu následujících dekád.

Zatímco většina předchozích studií v Evropě o jaderném kosmickém pohonu byla ukončena bez výsledku, dnešní technologie už dělají z jaderného pohonu přijatelnou alternativu ke konvenčním pohonným systémům. Už jsme si řekli, že jaderný pohon může být mnohonásobně účinnější než nejúčinnější chemický pohon, nebo může překročit elektrický výkon omezený solární energií, a umožnit průzkum tam, kam se doposud žádná jiná technologie nedostala. Oddělení budoucích vesmírných dopravních systémů ESA (STS-F) letos iniciovalo dvě studie proveditelnosti. Tyto studie mají za cíl určit klíčové technologie, které je třeba vyvinout a definovat přechodné kroky k vývoji jaderného pohonu v Evropě. A zda je něco takového vůbec reálné. Podmínkou bez které se nelze obejít pro využití jaderné energie pro pohon je samozřejmě důkladná implementace bezpečnostních požadavků již od raných fází návrhu. Na základě doporučení Mezinárodní agentury pro atomovou energii (AIEA) a Organizace spojených národů v roce 2009 je bezpečnostní aspekt ústředním bodem vývoje jaderných technologií pro vesmírné aplikace.

Dlouhodobé plány a směřování ESA zaštiťují ambiciózní programy jako Voyage 2050 nebo Terrae Novae a další. Jehož součástí jsou i následující studie. Vysoká účinnost motorů a výroba energie jaderného elektrického pohonu (NEP) by umožnila průzkum a logistiku ve vesmíru, na oběžné dráze Země i mimo ni v měřítku, které by chemický ani běžný elektrický pohon nikdy nebyl schopen zajistit. Největším smyslem existence NEP je potenciální výzkum za oběžnou dráhou Marsu, kde je sluneční energie omezená. Pro vývoj vesmírného tahače, které ESA nazývá In-Space Transportation Vehicles (ISTVs), pro dlouhodobý a vzdálený průzkum se uvažuje o postupné realizaci s kosmickými tahači nejprve v menším měřítku, které by na oběžné dráze demonstrovaly přidanou hodnotu jaderného elektrického pohonu při méně náročných misích. V rámci očekávání rostoucí potřeby náročné dopravy ve vesmíru a technologického růstu, je tato studie prvním krokem k demonstraci jaderných elektrických pohonných systémů na oběžné dráze v ESA.

Hlavní výhodou je i zde, oproti chemickým pohonům, účinnost motorů. Výhodou oproti motorům napájených ze solárních panelů je větší výkon a nezávislost na působení přímého slunečního záření, což je využitelné zejména pro dopravu těžkých nákladů s dlouhým časovým omezením bez slunečního záření (například mise v dlouhodobém zákrytu Měsíce) a pro výzkum za oběžnou dráhou Marsu. Kromě toho by NEP mohl mít silnou synergii s dalšími kosmickými aplikacemi. Jaderná energie by například mohla být využita na povrchu Měsíce nebo Marsu k napájení budoucích habitatů nebo robotického průzkumu Sluneční soustavy nebo ve vesmíru k jiným účelům než jen k pohonu. Projekt RocketRoll, neboli „pReliminary eurOpean reCKon on nuclEar elecTric pROpuLsion for space appLications“, zkoumal výhody použití jaderného elektrického pohonu (NEP) oproti klasickým pohonným systémům pro náročné mise, které se očekávají v budoucnosti v oblasti logistiky a průzkumu vesmíru. Měl určit hlavní bezpečnostní prvky konstrukce a navrhnout opatření pro nepředvídané události a zmírnění jejich následků. Studie dále určí, jaké jsou stávající a chybějící klíčové prvky (technologie, modelovací kapacity, testovací zařízení atd.) v Evropě, které by měly být připraveny pro provoz kosmického tahače na jaderný elektrický pohon po roce 2035.

RocketRoll byl zahájen v březnu 2023 a probíhal po dobu 12 měsíců, během nichž se projekt zaměřil na přehled stávajících evropských zkušeností, technologií a průmyslových schopností pro vývoj kosmického tahače, jakož i na předběžný koncepční návrh motoru NEP. Projekt RocketRoll spojuje přední zainteresované strany v oblasti letectví a jaderné energetiky v rámci konsorcia vedeného společností Tractebel, které zahrnuje Francouzskou komisi pro alternativní energie a atomovou energii (CEA), ArianeGroup, Airbus a Frazer Nash. A zahrnovalo příspěvky také od OHB CzechspaceProjekt, pražské univerzity ČVUT a univerzity ve Stuttgartu. Projekt začal před více než rokem a skončil koncem minulého roku. K české účasti se ještě vrátíme v závěru článku.

Projekt ALUMNI

Jako hlavní pohon kosmických raket se jaderné pohony moc nehodí a částečně jsme si vysvětlili proč. Velkým rizikem je také kontaminace jaderným spadem. Což není takový problém v kosmickém prostoru. Uvažuje se tedy o výkonných horních stupních raket na jaderný pohon nebo stavba velkých platforem na oběžné dráze. Projekt ALUMNI, neboli „preliminAry eLements on nUclear therMal propulsioN for space applIcations“ vede francouská společnost CEA s podporou ArianeGroup a Framatome respektive divizí Framatome Space. Jde o jaderný tepelný raketový motor. Jeho koncepce je založena na ohřevu kapalného vodíku jeho průchodem jaderným reaktorem. Jeho princip už jsme si představili. ALUMNI si klade za cíl prozkoumat výhody použití jaderného tepelného pohonu (NTP) oproti klasickým pohonným systémům s důrazem na jeho potenciální ziskovost. A co je důležitější, posoudí klíčové prvky (technologie, modelovací schopnosti, testovací zařízení atd.) a bezpečnostní konstrukční prvky, které použití NTP umožňují. Jednou z výhod oproti chemickým motorům je, že není třeba žádné okysličovadlo, čímž se zvyšuje účinnost tahu při zachování nižší hustoty spalin. U motoru o tahu asi 10 tun se očekává, že účinnost bude 2 až 3krát větší než u vysoce účinného kryogenního chemického pohonu. Projekt ALUMNI je zaměřen na zkrácení doby cestovaní k Marsu. Což je podstatné pro pilotované lety. Astronauti budou vystaveni kosmické radiaci po kratší dobu. A samozřejmě se zvýší nosnost, což půjde využít i na dopravu objemnějších nákladů, třeba na Měsíc. RocketRoll by se naopak hodil nejvíce pro mise mířící za dráhu Marsu a to spíše robotické nebo pro mise v zákrytu kosmických těles.

Na úplný závěr se vraťme ke slibované české stopě v projektu. Zajímalo mě o celém tomto zajímavém počínání ESA víc, a tak jsem neváhal oslovit Ing. Jana Frýborta z pražské univerzity ČVUT Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské, který spolu s dalšími vědci z university spolupracují na zmiňované studii RocketRoll.

Mohl byste nám projekt jaderného elektrického pohonu RocketRoll blíže představit? Jakou roli v tomto projektu má Česká republika?

Projekt RocketRoll vznikl z racionální úvahy ESA ohledně budoucnosti vesmírných letů a dostupnosti technologií pro dosažení vzdálených cílů ve Sluneční soustavě. V současnosti využívané technologie pohonů mají své jasně dané limity. Chemický pohon poskytuje sice velké zrychlení kosmické lodě, ale současně vyžaduje velké množství paliva a pro vzdálenější destinace by tak nezůstávala potřebná kapacita pro užitečný náklad. Elektrické motory poháněné sluneční energií jsou zase limitovány hustotou slunečního výkonu, která se vzdáleností od Slunce rychle klesá. Nelze tak dosáhnout potřebných vysokých výkonů pro soustavné urychlování kosmické lodě při reálné ploše solárních panelů.
Již od 50. let 20. století se uvažovalo o využití jaderné energie i pro pohon vesmírných raket. Nejprve se rozvíjela myšlenka použít jaderný reaktor k ohřátí a urychlení vhodného média a připravit jadernou alternativu k chemickému reaktivnímu pohonu – tepelný jaderný pohon. Výhodou je řádově vyšší hustota výkonu jaderného paliva oproti chemickému palivu. Později se objevila i myšlenka využít pokrok, který byl učiněn ve využívání jaderné energie v jaderných reaktorech a připravit jaderný reaktor, který by s pomocí vhodně zvolené konverze tepelné energie na elektrickou energii poskytoval dostatečný výkon pro použití elektrických pohonů pro vesmírná plavidla – elektrický jaderný pohon.
V USA byl během 60. let 20. století v rámci projektu NERVA vyvinut a experimentálně ověřen tepelný jaderný pohon na několika stupních výkonu. Bohužel se program nedočkal dalšího financování a byl v 70. letech ukončen. Dalšího významný rozvoj této technologie v USA pokračuje až posledních letech se zaměřením na přípravu rakety s tepelných jaderným pohonem pro cestu na Mars.
Lze říci, že náskok USA ve vývoji tepelného jaderného pohonu před zbytkem světa je ohromný a je těžké si představit, jak by bylo možné v této oblasti získal technologické prvenství. Na druhou stranu, jaderný elektrický pohon se nikdy nedočkal takového stupně rozvoje a investic, takže zde jsou šance Evropy na technologický průlom teoreticky větší. A právě tímto směrem míří projekt RocketRoll. Je to první krok, který má za cíl připravit koncepční návrh kosmického tahače elektrickým jaderným pohonem pro zvolené typy misí ve Sluneční soustavě a přinést informace o dostupných evropských technologiích v této oblasti.
České subjekty byly součástí jednoho z konsorcií, které bylo vybráno pro realizace této studie. Projekt zastřešovalo OHB Czechspace a dalšími účastníky byly dvě fakulty ČVUT v Praze, Univerzita ve Stuttgartu a OHB.

První fáze trvala dvanáct měsíců a pokud se nemýlím, skončila v září minulého roku. ESA pak měla vybrat jeden z pohonů, posoudit jeho proveditelnost a umožnit jeho realizaci. Už se tak stalo? A jak případně bude projekt dále pokračovat?

Máte pravdu, že celý projekt RocketRoll byl skončen již v roce 2024. Ta hlavní část vyústila v prezentace na workshopu organizovaném ESA v březnu 2024. Zde jednotlivé týmy, které řešily projekt RocketRoll prezentovaly své představy o jaderném elektrickém pohonu a jeho charakteristikách. Následně se projekt dočkal ještě prodloužení, kde se hodnotila možná podobnost technologií pro vesmírný jaderný systém a technologií vyvíjených pro malé modulární reaktory.
Aktuální pozice ESA je, že podporuje vývoj potřebných technologií pro jaderný elektrický pohon, ale nemá sílu financovat takto rozsáhlý projekt. Proto bude celý komplex technologií rozdělen na části, které bude možné řešit paralelně a s akceptovatelným průběžným rozpočtem. Důležité je udržet vývoj v chodu a dosáhnout přijatelnosti myšlenky jaderného pohonu mezi členskými státy ESA. Je nutné si uvědomit, že postoje jednotlivých států k jaderným technologiím jsou diametrálně odlišné. Už to, že ESA vede projekt s takovýmto zaměřením je ohromný myšlenkový posun v rámci ESA. Ještě do nedávné doby byly jaderné technologie v ESA odmítané a počítalo se s využitím ruských jaderných technologií.

Proč studie vznikla a je skutečně šance, že Evropa bude mít po roce 2035, vlastní „kosmický tahač“ na jaderný pohon?

Musíme si přiznat, že Evropa v jaderných technologiích zaostává za USA i Ruskem. Doposud se ESA spoléhala na dodávky těchto technologií právě z USA a Ruska, ale se změnou politické situace si musí Evropa zajistit autonomii i v této oblasti. Taková studie jakou je RocketRoll je prvním nezbytným krokem v tomto směru. Hlavní účel je zmapovat současný stav technologie vesmírných plavidel poháněných jaderným reaktorem a přehled evropských kompetencí v této oblasti.
Asi si dovedeme představit, jak náročná taková technologie je. Navíc nebyly ani jednotlivé části experimentálně ověřeny, proto nás čeká ještě dlouhý a nákladný vývoj. Zatím ale nevidíme vůli k rozsáhlému celoevropskému výzkumnému projektu, který by měl za cíl dovést takové plavidlo k rychlé realizaci. Očekávám proto spíše dlouhodobý vývoj, který bude rozdělen do řady dílčích projektů. Rok 2035 proto vidím jako nereálný.

Je tedy teoreticky možné, že bude mít ESA i jiné aplikací jaderných technologií v kosmickém programu než jen pohonné? Velmi zajímavé mi přijdou kompaktní reaktory. Uvažovalo se i tímto směrem?

Použití jaderného reaktoru jako zdroje energie pro planetární základu je logickou volbou. Umístění na povrchu zmírňuje komplikace s odvodem tepla a stíněním záření. Nicméně, technologie takových reaktorů nebyla součástí studie Rocketroll, pouze jako jedna z možných aplikací pro navrhované jaderné technologie.

Jaderný elektrický pohon je ideální pro dlouhodobé mise a projekty směrující spíše za oběžnou dráhu Marsu. Znamená to, že ESA má v plánu v nadcházejících dekádách zahájit průzkum vzdálenějších destinací ve Sluneční soustavě?

Nemám přístup ke konkrétním plánům ESA, ale možnost využití elektrického jaderného pohonu jsme podle zadání projektu posuzovali pro mise na Mars a dále k pásu asteroidů až po Jupiter.
Pro úspěch libovolné technologie je nezbytné její komerční využití. Zde se počítá, že by bylo možné postavit robotické mise bez lidské posádky, které by cestovaly právě v rámci pásu asteroidů a těžily vzácné suroviny.

Nabízí tento typ pohonu, kromě vysokého specifického impulsu (Isp), i nějaké další výhody?

Hlavní výhodu vidím v tom, že jaderné palivo má mnohonásobně vyšší hustotu výkonu než libovolné chemické palivo. To znamená, že jaderný reaktor dokáže dodávat vysoký výkon pro všechny potřeby plavidla po mnoho let. Po celou dobu letu je tak možné manévrovat a měnit výkon. Dokonce je možné reaktor v případě potřeby odstavit a opět restartovat.
Jako výhodu ve srovnání s jaderným tepelným pohonem spatřuji to, že zde je cílem jaderného reaktoru a dalších technologií výroba elektrické energie. To znamená využití nejen pro samotné pohony, ale i zásobování energií pro další účely během letu i po přistání. Použití je proto velmi flexibilní.

Rocketroll by jako zdroj energie využíval jaderné palivo, ale pohon jako takový je elektrický. Ten už se léta v kosmu používá a je mimo jiné znám tím, že iontové motory mají sice vysoké Isp, ale malý tah. Jsou tedy úsporné, ale ne moc účinné v krátkém časovém horizontu. Jaké řešení by nabízel Rocketroll a nebo v čem by se vlastně lišil? Velikostí použitých iontových motorů? Větším počtem? 

Pro potřeby samotného pohonu se uvažovalo s klastry různých technologií elektrických pohonů s parametry vhodnými pro různé fáze letu. Vedle klasických iontových motorů byly uvažovány motory založené na Hallově jevu, magnetoplasmadynamické motory a další varianty hybridních motorů. Celkem bylo zahrnuto třináct variant a generací elektrických motorů a byly hodnoceny z osmi hledisek. Neexistuje zatím jedna univerzální technologie elektrických motorů a je nutné plánovat jejich vhodné kombinace.

Druhá studie s názvem Alumni zkoumá jaderný tepelný pohon. Koncepce je založena na ohřevu kapalného vodíku a jeho průchodu jaderným reaktorem. Řekl bych, že se lépe hodí pro objemnější náklady a pilotovanou kosmonautiku. Na podobném pohonu v současnosti pracují například v Rusku nebo USA. Proč by Evropa, potažmo ESA, měla mít svůj?

Souhlasím, že konkurence v oblasti tepelného jaderného pohonu je extrémní. Evropa to skutečně bude mít obtížné zejména ve srovnání se Spojenými státy, které do výzkumu tohoto druhu pohonu investovaly finance v řádu desítek miliard dolarů a byly schopné dovést technologii k úspěšnému experimentálnímu ověření. Dovedu si představit jedinou cestu a tou je objev nějaké přelomové technologie, která by dokázala výrazně změnit technologický základ konstrukce reaktoru a která by vedla k významné ekonomické úspoře. Celkově si nemyslím, že by Evropa byla schopna financovat výzkum obou typů jaderných pohonů, protože musíme uvážit, že vložené prostředky by se měly vrátit díky komerčnímu využití vyvinutých technologií. Protože jsem se projektu Alumni neúčastnil, netuším, zda je nějaká perspektiva, že by evropský tepelný jaderný pohon mohl být na trhu dříve než konkurence. Evropa je v tomto na úplném začátku. 

Zůstaňme tedy u projektu RocketRoll. Počítali jste ve studii i s tím, že by tento druh pohonu mohl být použit pro lety s posádkou?

Let s lidskou posádkou byl tou základní hodnocenou aplikací pro jaderný elektrický pohon. Vzhledem k relativně nízkému tahu elektrických motorů se výhody jaderného elektrického pohonu projeví až při delších misích. Již při cestě na Mars zkracuje ale jaderný elektrický pohon nutný čas cesty ve srovnání s chemickým pohonem. Snižuje tak posádce celkovou dávku záření obdrženou během pobytu mimo atmosféru a magnetické pole Země. Samozřejmě je nutné zajistit, aby stínění záření z jaderného reaktoru bylo efektivně odstíněno a nemohlo tak významně přispívat k radiační zátěži posádky.

Jaké potenciální výhody by z těchto projektů mohla mít Česká republika, pokud by se v budoucnu podílela na výrobě jaderných pohonu?

Pro úspěch v libovolné činnosti je nutné být otevřený novým myšlenkám, něco riskovat a mít i štěstí být ve správný okamžik na správném místě. Právě účastí v projektu RocketRoll jsme prokázali schopnost se velmi rychle zorientovat v nové problematice a přijít se zajímavými technickými návrhy. Je to jen první krok, ale jasně jsme ESA deklarovali, že jsme připraveni pokračovat dále. Nelze ale zůstat jen u akademických, vědeckých a technických studií. Pokud má mít Česká republika skutečně hmatatelný prospěch z této technologie, je nutné zapojení průmyslu a ochota riskovat počáteční vložené prostředky do vývoje jednotlivých dílčích technologií. Není nutné hned myslet na celý jaderný reaktor, ale takové komplexní inženýrské dílo se skládá z mnoha dílčích technologií, které jsou nezbytné pro úspěch či efektivitu celku. Správně se říká, že ďábel tkví v detailech.

Pokud se nemýlím, v minulosti byl pro ESA problém získat obohacené jaderné palivo pro kosmické aplikace. Například plutonium-238 pro radioizotopové termoelektrické generátory je velmi drahé. Kde by ESA palivo případně získala a plánuje vlastní výrobu?

V případě jaderných reaktorů pro vesmír se v poslední době nejčastěji uvažuje o uranovém palivu na samé hranici nízkoobohaceného uranu, tj. pod 20 % hmotnostního podílu izotopu U-235. Takové palivo podléhá mírnější regulaci z hlediska možného zneužití a nevylučuje zapojení soukromých firem do výroby potřebného jaderného paliva.
V současnosti používaná oxidická forma uranu jako jaderného paliva je poměrně neefektivní pro využití ve vesmíru kvůli nízké hustotě uranu v této sloučenině, která by znamenala velký objem paliva. Existují aktivně vyvíjené alternativy v podobě karbidických a nitridických paliv, ale zde ještě chybí komerční výroba, protože jejich vývoj stále nedosáhl dostatečně pokročilého stupně. Je ovšem nutné si přiznat, že i v tomto ohledu Evropa zaostává za USA i Ruskem, protože se nepočítalo s nutností jejich domácí výroby z důvodu nedostupnosti dodavatelského řetězce v zahraničí. Tato paliva se zvýšenou hustotou jsou klíčová i pro některé pokročilé koncepty malých modulárních reaktorů a proto roste v Evropě tlak na nutnost zavedení vlastní výroby těchto paliv pro dosažení větší autonomie.
Jako příklad investice do nezávislosti Evropy na dodávkách jaderných materiálů ze zahraničí lze uvést právě nahrazení Pu-238 za Am-241. Pu-238 je palivem v radioizotopových generátorech a umožňuje generovat relativně malý elektrický výkon, ale nezávisle na okolních podmínkách po dobu několika desítek let. Výroba Pu-238 je velmi náročná a vyžaduje ozařování U-235 neutrony a následnou rychlou separaci uvolňovaného Pu-238. Taková výroba nad rámec laboratorní úrovně není v Evropě dostupná a také celosvětová produkce Pu-238 je relativně malá. Z tohoto důvodu by nebyl izotop Pu-238 k dispozici pro evropské mise.
V minulosti byly studovány alternativy k Pu-238 a z nich je velmi zajímavý izotop Am-241. Jeho hustota tepelného výkonu je sice řádově nižší, ale zato se nachází ve vyhořelém jaderném palivu a v Evropě je možné toto přepracování provádět. ESA proto financuje projekt, který má vyústit ve standardizovaný design evropského univerzálního radioizotopového generátoru založeném právě na Am-241. Bude to alternativa k americkému standardnímu radioizotopovému generátoru MMRTG, který je použit třeba v roveru Perseverance na Marsu…

Dokážu si představit, že velmi diskutovanou otázkou je bezpečnost, jelikož na oběžnou dráhu bude třeba jaderné pohony nejdříve dopravit. Jak velký problém by představovalo selhání kosmické rakety s jaderným pohonem na palubě? A závisí míra rizika pro obyvatele i na fázi letu, při níž k havárii došlo?

Jadernou energii je nutné využívat s ohledem na její přínos a samozřejmě bezpečně. Jaderný pohon umožní podniknout mise, které by nebyly s konvenčními technologiemi realizovatelné. Jaderný reaktor také dokáže poskytnout planetární základě dostatek elektrické energie po mnoho let bez ohledu na okolní podmínky. Podobně také radioizotopové generátory umožňují dlouhodobý provoz vesmírných sond i bez dostatečné intenzity slunečního svitu pro solární články. Přínosy jsou zřejmé, ale je nutné zajistit, aby využívání jaderné energie ve vesmíru přinášelo jen akceptovatelné riziko. Bezpečnost se hodnotí pravděpodobnostně a sledují se všechny cesty, které mohou vést k ohrožení lidí či životního prostředí. Na základě takového hodnocení lze nalézt právě podmínky s vyšším rizikem, které je nutné eliminovat či jinak ošetřit.
Pokud jde o mezinárodní pravidla pro využívání jaderné energie ve vesmíru, tak se lze opřít o usnesení Valného shromáždění OSN z roku 1992. Zde se hovoří o nutnosti využívat pouze obohacený uran jako jaderného paliva a požadavku na zabránění rozběhu štěpné řetězové reakce před dosažením dostatečně vysoké oběžné dráhy. Oba požadavky vedou na to, aby při selhání rakety nesoucí jaderný pohon do vesmíru, nemohlo dojít k rozsáhlé kontaminaci životního prostředí a nebezpečným zdravotním rizikům pro člověka.
Co by se stalo v případě selhání rakety vynášející jaderný pohon na oběžnou dráhu? Aktuální představa je, že vzhledem ke konstrukci reaktoru je nepravděpodobné, že by došlo k dostatečnému a bezpečnému rozptýlení radioaktivních materiálů v atmosféře, proto se počítá s dopadem na zem v kompaktním stavu. Tím jsou omezeny radiologické důsledky takové nehody na minimum a usnadněno vyzvednutí jaderných materiálů a zabránění jejich případnému zneužití.

Nedá mi to, abych se na závěr nezeptal na finanční stránku. Jak na tom budou jaderné pohony ve srovnání s, v současnosti nejvíce používanými, chemickými pohony z hlediska vynaložených nákladů?

V tomto ohledu nejsem odborník. Zajímám se o fyzikální a technologickou stránku této technologie. Přesto si troufám tvrdit, že nemůžeme přímo srovnávat chemický a jaderný pohon z hlediska nákladů. Bylo by to podobné, jako srovnávat osobní automobil a letadlo. V obou případech se jedná o dopravní prostředek, ale každý je určen pro zcela jiné využití a proto ani nemůžeme přímo srovnávat jejich náklady. Chemické rakety jsou zatím nepostradatelné při dopravě na oběžnou dráhu, ale nedokážou nás dostat dále než k Marsu…

Děkuji za rozhovor.

Poznámka autora

Předně bych rád poděkoval za poskytnuté informace a rozhovor Janu Frýbortovi. Za opravy a užitečné postřehy k článku děkuji kolegovi Vítězslavu Škorpíkovi.

Zdroje informací:
https://www.russianspaceweb.com/ur700a.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Rocket
https://www.aldebaran.cz/bulletin/2016_22_jad.php
https://cs.wikipedia.org/wiki/Projekt_Daedalus
Ztracený Měsíc: Petr Tomek, ISBN 978-80-87105-08-5
https://kosmonautix.cz/2022/09/24/mezihvezdne-lety-realita-ci-fikce/
https://www1.grc.nasa.gov/research-and-engineering/nuclear-thermal-propulsion-systems/
https://commercialisation.esa.int/2022/09/space-transportation-and-nuclear-propulsion/
https://mek.kosmo.cz/zaklady/rakety/jrm.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Demonstration_Rocket_for_Agile_Cislunar_Operations
https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Orion_(nuclear_propulsion)
https://www1.grc.nasa.gov/research-and-engineering/thermal-energy-conversion/kilopower/

Zdroje obrázků:
https://commercialisation.esa.int.jpg
https://www.blueorigin.com/
https://www.flickr.com
https://en.m.wikipedia.org.jpg
https://topwar.ru.jpg
https://www.ansto.gov.au
https://en.wikipedia.org
https://www1.grc.nasa.gov
https://commercialisation.esa.jpg
https://commercialisation.esa..jpg