Od září do března 2018 proběhly intenzivní testy nového reaktoru pro vesmír Kilopower. Závěrečná série byla věnována provozním testům v letových podmínkách ve vakuové komoře. Vzhledem k obnovenému zájmu o Měsíc a Mars by se tentokrát mohly reaktory opravdu začít ve vesmíru využívat. Podívejme se na současnou situaci i reaktor podrobněji.
V posledních letech se obnovil zájem o návrat člověka na Měsíc a lety na Mars. Znovu se uvažuje o letech automatů k velkým planetám a do vnějších oblastí Sluneční soustavy, případně až za její hranici. O letech k Marsu neuvažují jen státní instituce, ale také soukromníci. Energetické potřeby takových projektů v tomto případě nelze zajistit bez využití jaderných zdrojů založených buď na radionuklidových generátorech, nebo štěpných reaktorech. Podrobně jsou možnosti popsány v článku o <a href="http://www.osel.cz/7031-je-mozna-hvezdna-budoucnost-lidstva.html">jaderných zdrojích pro vesmírnou kolonizaci</a> a v dřívějším <a href="http://www.osel.cz/3838-jaderne-zdroje-pro-vesmirnou-kolonizaci.html">článku o jaderných zdrojích</a>.
<h2>Současný stav u radionuklidových zdrojů pro vesmír</h2>
V zmíněném pozdějším článku je také rozebráno, že v současné době je situace s těmito technologiemi velice špatná. Potenciální aspiranti na let k Marsu nebo budování základny na Měsíci nemají možnost tyto zdroje pro zmiňované projekty zajistit. Vesmírné radionuklidové zdroje byly dominantně založeny na využívání plutonia 238. Takové zásobovaly lunární základny zbudované americkými misemi Apollo, sondy, které studovaly Jupiter, Saturn, Neptun i Pluto, a pohánějí i marsovské vozítko Curiosity. Ovšem Spojené státy ztratily schopnost produkovat plutonium 238. K jeho výrobě z neptunia 237 ozařováním intenzivním tokem neutronů jsou potřeba speciální reaktory. Ty pracovaly v zařízení Savannah River, ale v roce 1988 se produkce plutonia 238 zastavila. Později sice menší množství tohoto radionuklidu koupila NASA z Ruska, přesto má v současné době pouze zhruba 35 kg a to ještě je 18 kg ve špatné kvalitě s nutností vyčištění. Ani ve světě není tento radionuklid v množství větším než několik kilogramů.
Je třeba připomenout, že původní zdroje GPHS-RTG, které byly například na sondách Voyager, Galileo, Cassini nebo New Horizons, potřebovaly zhruba 11 kg plutonia 238 a dokázaly produkovat zhruba 240 We elektrického výkonu. A sonda Cassini měla takové zdroje tři. Pokud by se vyčistily všechny současné zásoby, stačilo by to na jednu misi Cassini. Nové zdroje MMRTG, jejichž elektrický výkon je 100 We, potřebují 4,8 kg plutonia 238. Takový využívá vozítko Curiosity. V současnosti je jeden takový připraven pro nové vozítko (biologickou laboratoř) pro Mars.
V posledních letech se objevily snahy znovu obnovit výrobu plutonia 238 s využitím existujících výzkumných reaktorů HFIR a ATR, ovšem roční produkce bude v nejlepším případě 1,5 kg. Což zlepší situaci jen minimálně. Další možností je vývoj úplně nového radionuklidového zdroje, který by využíval americium 241. To má delší poločas rozpadu a tím i menší aktivitu zdroje. Paliva tak bude třeba mít více. Podstatnější problém však je daleko vyšší intenzita emise záření gama, což klade vyšší nároky na stínění. Obrovskou výhodou je naopak to, že je součástí vyhořelého paliva z klasických jaderných reaktorů. Z něho je lze získávat. V jejich vývoji se angažuje Evropa, hlavně Velká Británie, která má závody pro přepracování vyhořelého paliva. Podrobně je problematika okolo paliva pro radionuklidové zdroje popsána <a href="http://ojs.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/sondy/Plutonium_Astropis.htm">zde</a> a <a href="http://ojs.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/sondy/Plutonium_Vesmir_final.htm">zde</a>.
<figure id="attachment_51403" style="width: 800px" class="wp-caption aligncenter"><img class="size-full wp-image-51403" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/05/2radionuklidove-zdroje-gphs-rtg.jpeg" alt="Radionuklidové zdroje GPHS-RTG, které se používaly pro lety do vnějších oblastí Sluneční soustavy (zdroj NASA)" width="800" height="537" /><figcaption class="wp-caption-text">Radionuklidové zdroje GPHS-RTG, které se používaly pro lety do vnějších oblastí Sluneční soustavy (zdroj NASA)</figcaption></figure>
<h2>Štěpné reaktory pro vesmír</h2>
To je jedním z důvodů, proč se v posledních letech obrátila NASA spolu s laboratoří Los Alamos opět k vývoji jaderných reaktorů. Výhodou štěpných reaktorů oproti radionuklidovým zdrojům je i větší výkon, který mohou poskytnout. Z oblasti stovek wattů se tak lze posunout k jednotkám až desítkám kilowattů i výše. Na vesmírné reaktory pro kosmické aplikace jsou kladeny velmi specifické požadavky. Musí být co nejkompaktnější a nejlehčí. Proto mají velmi vysoké obohacení uranem 235, které dosahuje a překračuje 90 %. I to je důvod, proč pracují při velmi vysokých teplotách. Ty zároveň zvyšují efektivitu konverze tepelné energie na elektrickou. Velmi důležité jsou také nároky na bezpečnost a spolehlivost, většinou nelze spoléhat na možnost opravy či zásahu člověka. Je tak třeba co nejvíce uplatňovat pasivní bezpečnostní prvky. Také je třeba, aby reaktor fungoval co nejdéle bez výměny paliva.
Američané vyvinuli jaderný reaktor pro vesmír v šedesátých letech a jeden jeho kus do vesmíru poslali. Daleko intenzivnější byl v této oblasti vývoj v bývalém Sovětském stavu. Zde se využívaly reaktory pro napájení radaru na vojenských družicích RORSAT, které sledovaly americké vojenské ponorky.
Nejmodernějším modelem vesmírného reaktoru byl TOPAZ, vyvinutý hlavně v sedmdesátých letech, který využíval termionickou přeměnu tepla na elektřinu. Na oběžnou dráhu se dostal v roce 1987. Jednalo se o reaktor chlazený tekutým kovem (slitinou sodíku a draslíku), takže jeho pracovní teplota mohla být 610 °C. Maximální teplota uvnitř aktivní zóny však mohla dosahovat až téměř 1900 °C. Tento velice dobrý reaktor měl také vysoké obohacení o hodnotě 90 %. Uran o hmotnosti 12 kg byl ve formě oxidu uraničitého. Reaktor byl klasický tepelný s moderovanými neutrony, moderátor byl hydrid zirkonu. Celková hmotnost reaktoru byla 320 kg a tepelný výkon 150 kW. Využíval beryliový reflektor, který odrážel neutrony zpět do aktivní zóny. V něm byly umístěny rotující válce částečně z beryllia odrážejícího neutrony a materiálu, který neutrony pohlcují. Ty zajišťovaly bezpečné ovládání i zapnutí a vypnutí reaktoru. V tomto případě se používala termionická přeměna tepelné energie na elektrickou s účinností až okolo 5 %, elektrický výkon byl 5 &#8211; 10 kWe a plánovaná provozní doba 12 měsíců.
<figure id="attachment_51404" style="width: 556px" class="wp-caption aligncenter"><img class="wp-image-51404 size-full" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/05/3rusky-vesmirny-reaktor-topaz.jpeg" alt="Ruský vesmírný reaktor TOPAZ" width="556" height="351" /><figcaption class="wp-caption-text">Ruský vesmírný reaktor TOPAZ</figcaption></figure>
Vylepšená varianta reaktoru označená jako TOPAZ II se už do vesmíru nedostala. Ten má hmotnost paliva 27 kg a obohacení až 96 %, celková hmotnost reaktoru je něco přes 1000 kg. Aktivní zóna má výšku 920 mm a průměr 408 mm. Tepelný výkon je 135 kWt a elektrický pak okolo 6 kWe. Větší velikost aktivní zóny vedla k prodloužení aktivní délky činnosti reaktoru na 3 roky.
Odkoupila jej také organizace NASA, aby zrychlila vývoj svých nových reaktorů a jeho další testy i vývoj probíhaly v mezinárodní spolupráci. Ta však byla v roce 1993 z finančních důvodů zakončena. Dominantním důvodem však bylo, že ve výhledu nebyly žádné reálné projekty na Měsíci a Marsu, které by tyto projekty vyžadovaly.
Na začátku tohoto století se opět rozběhl ve spolupráci NASA, DOE a laboratoře Los Alamos projekt vývoje nových vesmírných reaktorů. Byla snaha co nejvíce vycházet z předchozích zkušeností a reaktoru TOPAZ. Z podobných důvodů jako v předchozích případech byl však projekt opět ukončen, aniž by se dostal do stádia intenzivnějších testů.
<figure id="attachment_51396" style="width: 725px" class="wp-caption aligncenter"><img class="size-full wp-image-51396" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/05/4prototyp-reaktoru-kilopower.jpeg" alt="Prototyp reaktoru Kilopower při testech (zdroj NASA)" width="725" height="763" /><figcaption class="wp-caption-text">Prototyp reaktoru Kilopower při testech (zdroj NASA)</figcaption></figure>
<h2>Projekt Kilopower</h2>
V roce 2014 se začal vývoj reaktoru s označením Kilopower. Cílem bylo do tří let připravit prototyp zdroje, který by dodával elektrický výkon 1 až 10 kWe po dobu nejméně deseti let. Projekt navázal na testy systému DUFF (Demonstration Using Flattop Fission), které provedl stejný tým v roce 2012. Šlo o první reálné testování vesmírného reaktoru v USA od šedesátých let minulého století. Teplo z reaktoru pohánělo dvojici Stirlingových motorů. Celkově systém dokázal produkovat elektrický výkon 25 We. Úkolem experimentu bylo testovat principy produkce tepla a jeho převodu na elektřinu pro jednoduchý systém určený k vesmírným aplikacím, který by využíval jaderný reaktor a Stirlingovy motory.
<figure id="attachment_51397" style="width: 574px" class="wp-caption aligncenter"><img class="wp-image-51397 size-full" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/05/5testy-prenosu-tepla.png" alt="Testy přenosu tepla pomocí pasivního systému teplovodných trubek vyplněných tekutým sodíkem s teplotou přes 800?C. (Zdroj: M A. Gibson et al, Report NASA)" width="574" height="574" /><figcaption class="wp-caption-text">Testy přenosu tepla pomocí pasivního systému teplovodných trubek vyplněných tekutým sodíkem s teplotou přes 800 °C. (Zdroj: M A. Gibson et al, Report NASA)</figcaption></figure>
Reaktor využívá vysoce obohacený uran v kovové podobě ve slitině s molybdenem a beryliový reflektor. Má jednu kontrolní tyč s příměsí bóru absorbujícího neutrony. Jeho celková hmotnost je srovnatelná s reaktorem TOPAZ II. Teplo se z reaktoru odvádí pomocí teplovodných trubic vyplněných tekutým sodíkem. Ty odevzdávají teplo Stirlingovým motorům. Odpadní teplo se vyzařuje pomocí radiátoru z uhlíkových kompozitů. Plánují se různé konfigurace rozdílné velikosti i výkonu. Největší s výkonem 10 kW by měla mít hmotnost 1800 kg. Tedy měrný výkon zhruba 5,5 W/kg.
Podle plánu se nejdříve provedly zkoušky jednotlivých komponent reaktoru a pak i jeho celku bez paliva. Pracovní teplota systému je u tohoto roku 800 °C. Bylo tak třeba vyzkoušet termomechanické vlastnosti konstrukce a paliva za těchto teplot i celý průběh odvodu tepla z aktivní zóny ke Stirlingovým motorům pomocí pasivního systému teplovodných trubek s tekutým sodíkem. To se podařilo v roce 2015.
<figure id="attachment_51398" style="width: 473px" class="wp-caption alignleft"><img class="wp-image-51398 size-medium" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/05/6schema-prototypu-reaktoru-kilopower-473x512.jpeg" alt="Schéma prototypu reaktoru Kilopower při experimentu KRUSTY. Žlutě je označen beryliový reflektor neutronů, kterým lze ovládat výkon reaktoru. Vlevo je mimo aktivní zónu při vypnutí reaktoru, vpravo pak zasunut okolo aktivní zóny a při testech jeho plného výkonu s využití kontrolní tyče k regulaci. (Zdroj: M A. Gibson et al, Report NASA)" width="473" height="512" /><figcaption class="wp-caption-text">Schéma prototypu reaktoru Kilopower při experimentu KRUSTY. Žlutě je označen beryliový reflektor neutronů, kterým lze ovládat výkon reaktoru. Vlevo je mimo aktivní zónu při vypnutí reaktoru, vpravo pak zasunut okolo aktivní zóny a při testech jeho plného výkonu s využití kontrolní tyče k regulaci. (Zdroj: M A. Gibson et al, Report NASA)</figcaption></figure>
V následujícím roce se testoval hlavně převod tepelné energie na elektrickou pomocí Stirlingových motorů. S těmi už má NASA zkušenosti, i když pouze na Zemi. Vyvíjely se pro radionuklidové zdroje. Pro Kilopower bylo vypracováno několik variant, ale základním konceptem bylo využití osmice Stirlingových konvertorů, z nichž každý by poskytoval 125 We výkonu. Celkově by tak zdroj měl 1 kWe. Reálné zkoušky se však z finančních důvodů prováděly se Sirlingovými konvertory o výkonu 70 We, které byly vyrobeny pro pokročilé radionuklidové zdroje ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator). Ty byly pouze dva, takže se sloty pro šest zbývajících při zkouškách osadily maketami.
&nbsp;
Reaktor využívá vysoce obohacený uran. Je tak důležité, aby bylo možné naplnit aktivní zónu palivem až těsně před startem a v dobře kontrolovaných podmínkách. Podařilo se vyprojektovat takový systém, který umožňoval zaplnění aktivní zóny již za 12 hodin. S dalšími instalacemi a testy celé sestavy pak předstartovní příprava reaktoru nepřekročí čtyři pracovní dny.
Než se přikročilo ke zkouškám s obohaceným uranem, testovalo se chování sestavy s uranem ochuzeným. Štěpný tepelný zdroj nahradil v tomto případě elektrický ohřev. Taková sestava umožnila vyzkoušet termomechanických vlastností celé konfigurace, průběh zaplňování aktivní zóny palivem i další manipulace s reaktorem.
<figure id="attachment_51399" style="width: 725px" class="wp-caption aligncenter"><img class="size-full wp-image-51399" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/05/7schema-reaktoru-kilopower.jpeg" alt="Schéma reaktoru Kilopower (zdroj Los Alamos)" width="725" height="416" /><figcaption class="wp-caption-text">Schéma reaktoru Kilopower (zdroj Los Alamos)</figcaption></figure>
V roce 2017 se vývoj nového reaktoru dostal do fáze, kdy se mohlo přikročit k testování prototypové jednotky i s obohaceným uranem v rámci experimentu KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY). Součástí bylo několik kritických experimentů s aktivní zónou, které testovaly její neutroniku, reaktivitu a průběh štěpné řetězové reakce v různých podmínkách. Začínalo se při nulovém výkonu, postupně se přešlo k režimům při nízkém výkonu, který se zvyšoval, až se přešlo k testům horkým.
Plán zkoušek byl navržen od listopadu 2017 do konce března 2018. Jeho vrcholem pak byl 28 hodin trvající běh reaktoru při plném výkonu a pracovní teplotě 800 ˚C. Ten se uskutečnil právě na konci března. Při experimentech se využila i vakuová komora, aby se navodily podmínky vesmírného letu. Průběžně se také testovalo chování reaktoru při různých provozních i havarijních situacích. Například při ztrátě funkce některé teplovodné trubky nebo Stirlingova motoru, či dokonce při úplné ztrátě chlazení. V tomto případě vede zvýšení teploty k vyšším radiačním tepelným ztrátám, tepelné záření tak stačí vznikající teplo odvést do vakua. Soubor testů byl ukončen koncem března právě zmíněným více než jednodenním provozem při plném výkonu.
<figure id="attachment_51400" style="width: 1024px" class="wp-caption aligncenter"><img class="size-large wp-image-51400" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/05/8reaktor-kilopower-se-pripravuje-k-testum_1-1024x683.jpeg" alt="Reaktor kilopower se připravuje k testům (zdroj NASA)" width="1024" height="683" /><figcaption class="wp-caption-text">Reaktor kilopower se připravuje k testům (zdroj NASA)</figcaption></figure>
<h2>Závěr</h2>
Úspěšný experiment KRUSTY je zásadním krokem k cestě k letovému exempláři vesmírného jaderného reaktoru. Tentokrát je velká šance, že se tato cesta dokončí a reaktor Kilopower se do vesmíru dostane. Byl by to zásadní průlom, který by vědcům umožnil začít pracovat na projektech sond do vzdálených oblastí Sluneční soustavy. Například misi k průzkumu Saturnu a jeho měsíce Titanu, k družici okolo Chironu a k sondě, která by zakotvila na oběžné dráze okolo tělesa v Kuiperově pásu. V tomto případě by nenapájel reaktor pouze přístroje sondy, ale také iontové motory. Bez jaderných zdrojů jsou tyto mise nemyslitelné.
Nutné jsou také pro automatické i obydlené základny na Měsíci, hlavně v kráterech na jeho pólech. Tam se sluneční svit téměř nedostane. Využití vesmírné stanice, kterou plánuje NASA budovat, by bez nich bylo velmi omezené. Klíčové jsou zdroje energie i pro cesty a pobyt na Marsu. Bez jaderných zdrojů jsou zde jen velmi omezené možnosti a lidská základna není bez nich myslitelná.
<figure id="attachment_51401" style="width: 660px" class="wp-caption aligncenter"><img class="size-full wp-image-51401" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/05/9ctyri-reaktory-kilopower-na-marsovske-stanici_1.jpeg" alt="Čtyři reaktory Kilopower na marsovské stanici v představách malíře (NASA/Kilopower)" width="660" height="371" /><figcaption class="wp-caption-text">Čtyři reaktory Kilopower na marsovské stanici v představách malíře (NASA/Kilopower)</figcaption></figure>
Kilopower by mohl problém se zásobováním energií v těchto případech vyřešit. Jeho modifikace by spolehlivě fungovaly v různých prostředích a modulárně by se mohly sestavovat větší celky, které by zajistily výkony od jednotek až po desítky kilowattů. Základní podmínkou však je, aby tyto výkony byly ve vesmíru potřeba. Současná aktivita v oblasti přípravy misí k Měsíci a Marsu u soukromníků i státních organizací však vzbuzuje optimismus. Je tak velmi pravděpodobné, že se s touto technologií budeme setkávat na Měsíci, Marsu i dále již během několika let.
Doporučená četba:  Marc A. Gibson, Steven R. Oleson, David I. Poston, Patrick McCure  <a href="https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20170002010.pdf">NASA’s Kilopower Reactor Development and the Path to Higher Power Missions</a>, NASA Report
Psáno pro <a href="http://www.kosmonautix.cz/" target="_blank" rel="noopener noreferrer">Kosmonautix</a> a <a href="http://www.osel.cz/9897-zacnou-se-ve-vesmiru-konecne-vyuzivat-jaderne-reaktory.html" target="_blank" rel="noopener noreferrer">Osla</a>.
Úvodní fotografie: Umělecká vize reaktoru Kilopower (Zdroj Los Alamos)

Jaderné elektrárny

Začnou se ve vesmíru konečně využívat jaderné reaktory?

NASA úspěšně otestovala svůj kompaktní jaderný systém navržený zejména pro dlouhé mise na nehostinném povrchu Marsu. Poslední částí byl zátěžový test plného výkonu systému. Výsledky prezentovala NASA ve středu na konferenci v Cleavelandu.
Základními prvky systému KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling Technology) jsou lehký štěpný reaktor o velikosti ruličky od papírových utěrek a <a href="https://cs.wikipedia.org/wiki/Stirling%C5%AFv_motor">Stirlingovy motory</a>, které přeměňují teplo produkované reaktorem na elektřinu. Systém je schopný produkovat až 10 kW elektrického výkonu nepřetržitě po dobu 10 i více let. Čtyři takové systémy jsou schopny napájet základnu například na Marsu.
Marc Gibson, hlavní výzkumný pracovník na reaktoru z Glennova výzkumného střediska, uvádí, že tento průkopnický energetický systém je ideální i například pro mise na Měsíci, kde je využití solárních panelů problematické, jelikož lunární noc zde trvá po dobu ekvivalentu 14 dní na Zemi.
<figure id="attachment_45059" style="width: 1024px" class="wp-caption aligncenter"><a href="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2017/11/stmd_grc-2017-c-06805.jpg"><img class="size-large wp-image-45059" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2017/11/stmd_grc-2017-c-06805-1024x683.jpg" alt="" width="1024" height="683" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Prototyp energetického zdroje Kilopower; Zdroj: NASA Glenn Research Center</figcaption></figure>
Podle Davida Postona, hlavního konstruktéra reaktoru z laboratoře NNSA v Los Alamos, bylo cílem nedávného zátěžového testování v Nevadě dokázat, že systém je schopen vyrábět elektřinu a je zároveň stabilní a bezpečný bez ohledu na to, v jakém prostředí je provozován.
<blockquote>
&#8222;Zkusili jsme s tímto reaktorem vše, co jsme mohli, co se týče nominálních a mimořádných provozních scénářů, a KRUSTY prošel na výbornou,&#8220; uvedl Poston.
</blockquote>
Testování probíhalo ve čtyřech fázích. První dvě fáze, prováděné bez napájení, potvrdily, že každá součást systému se chovala podle očekávání. Během třetí fáze byl navyšován výkon, aby se reaktor postupně zahříval před zahájením konečné fáze. Experiment vyvrcholil 28hodinovým testem, který simuloval využití reaktoru při misi, včetně spuštění reaktoru, náběhu na plný výkon, stabilního provozu a odstavení reaktoru.
<figure id="attachment_47441" style="width: 1024px" class="wp-caption aligncenter"><a href="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/01/kilopower.jpg"><img class="size-large wp-image-47441" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/01/kilopower-1024x315.jpg" alt="" width="1024" height="315" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Testování jaderného reaktoru Kilopower. Zdroj: NASA</figcaption></figure>
Během experimentu tým rovněž simuloval množství poruch, jako snížení výkonu, selhání motorů nebo selhání teplovodivých trubek.
<blockquote>
&#8222;Reaktoru velmi dobře rozumíme a tento test ukázal, že systém pracuje tak, jak jsme ho navrhli, aby fungoval. Nezáleží na tom, jakému prostředí jej vystavujeme, reaktor vždy funguje velmi dobře,&#8220; uvedl Gibson.
</blockquote>
Projekt Kilopower vyvíjí koncepty misí a provádí další činnosti snižování rizik, aby se připravil na možnou budoucí demonstraci letů. Projekt zůstane součástí programu STMD Game Changing Development Program s cílem dostat technologii do demonstračních technologických misí ve fiskálním roce 2020.
Taková demonstrace by mohla připravit cestu pro budoucí systémy Kilopower, které by napomáhaly lidským základnám na Měsíci a Marsu, včetně misí, které se opírají o využití zdrojů In-situ pro výrobu místních pohonných hmot a jiných materiálů.
Zdroj úvodní fotografie: NASA Glenn Research Center

Zdroj elektřiny pro Mars: Finální zátěžový test jaderného minireaktoru proběhl na výbornou

NASA se stále intenzivněji připravuje na vyslání lidí na Mars. Součástí příprav na budoucí mise je výzkum možného pohonu, který by dopravil astronauty i potřebné vybavení na rudou planetu. V rámci hledání alternativy ke konvenčním pohonům NASA oprášila výzkum, se kterým začala za studené války a tvrdí, že technologie jaderných tepelných pohonů jsou <a href="https://www.nasa.gov/centers/marshall/news/news/releases/2017/nasa-contracts-with-bwxt-nuclear-energy-to-advance-nuclear-thermal-propulsion-technology.html">nyní slibnější než kdy jindy</a>.
Projekt s názvem Nuclear Thermal Propulsion (NTP) by mohl významně změnit cestování vesmírem díky vysoké účinnosti a výkonu atomového pohonu. Na rozdíl od konvenčních raket, které spalují palivo, aby vytvořily tah, využívá atomový systém pro vytvoření hybné síly atomový reaktor ohřívající hnací plyn, například kapalný vodík, který následně expanduje tryskou.
To zdvojnásobuje efektivitu, s jakou raketa využívá palivo, což umožňuje výrazně zmenšit celé plavidlo a zkrátit dobu letu, uvádí Stephen Heister, profesor na Purdue University School of Aeronautics and Astronautics, v rozhovoru <a href="https://www.bloomberg.com/news/articles/2018-02-15/nasa-is-bringing-back-cold-war-era-atomic-rockets-to-get-to-mars">pro agenturu Bloomberg</a>.
<blockquote>
&#8222;Tento faktor je naprosto enormní, zvláště pro velmi obtížné mise, které vyžadují velké množství pohonných hmot, jako je například let na Mars,&#8220; dodává Heister.
</blockquote>
Časy se změnily, pokrok ve výrobních procesech, materiálové vědě a strojírenství umožňuje navrhnout lepší palivový prvek a jaderný reaktor, než bylo možné v průběhu studené války. A co víc, to, co opravdu chybělo, je znovu oživená &#8222;touha vyslat posádky do hlubokého vesmíru,&#8220; říká Jeff Sheehy, hlavní vědecký pracovník ředitelství vesmírných technologií v NASA.
<blockquote>
&#8222;Ta touha vždy existovala, ale úsilí nebo s jakým důrazem NASA v posledních několika letech stojí o rozvoj této schopnosti &#8211; to obnovilo zájem o NTP jako jednu z možností,&#8220; uvádí Sheehy.
</blockquote>
<figure id="attachment_49036" style="width: 1024px" class="wp-caption aligncenter"><a href="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/03/nasa_nucealr.jpg"><img class="size-large wp-image-49036" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/03/nasa_nucealr-1024x315.jpg" alt="" width="1024" height="315" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Zdroj: NASA</figcaption></figure>
<h2>Rychleji a bezpečněji na Mars</h2>
Jaderný tepelný pohon má řadu výhod oproti současným chemickým a elektrickým pohonným systémům. Kosmická loď používající NTP by mohla snížit dobu trvání letu na Mars o 20-25 % ve srovnání s chemickými raketovými motory, uvádí Sheehy. Mimo to, vyšší výkon by mohl rozšířit časové okno odletu ve srovnání s běžnými raketovými pohony. Ty jsou omezeny na třicetidenní okno každých 26 měsíců v závislosti na orbitálních polohách Země a Marsu.
NTP by umožnily astronautům mířícím na Mars snadnější přerušení letu a návrat zpět na Zemi. Chemické hnací látky poskytují velké množství tahu, ale velmi rychle vyhoří. Sheehy tvrdí, že posádka putující na Mars za využití chemického pohonu by pravděpodobně musela palivo na zpáteční let poslat na Mars předem a před zpáteční cestou jej vyzvednout. Jinak řečeno, astronauti létající na Mars s chemickými raketovými motory by se museli nejprve dostat na místo určení, aby vyzvedli palivo, které potřebují k letu domů.
<figure id="attachment_49034" style="width: 943px" class="wp-caption aligncenter"><a href="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/03/Mars-Nuclear.png"><img class="size-full wp-image-49034" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/03/Mars-Nuclear.png" alt="" width="943" height="323" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Cestování na Mars za využití jaderného pohonu by mohlo zkrátit dobu letu. Zdroj: Bloomberg, NASA, BWX Technologies Inc.</figcaption></figure>
<h2>Kapka v moři jaderného odvětví</h2>
NASA v rámci NTP programu <a href="https://www.nasa.gov/centers/marshall/news/news/releases/2017/nasa-contracts-with-bwxt-nuclear-energy-to-advance-nuclear-thermal-propulsion-technology.html">vloni podepsala smlouvu</a> za 18,8 milionů dolarů s americkou společností BWXT Nuclear Energy na vývoj jaderného pohonu. BWXT, která má dlouhou historii výroby jaderného paliva pro americké námořnictvo, navrhne jaderný reaktor využívající nízko obohacené uranové jaderné palivo ve formě keramických kovových tyčí.
Zatímco výroba podobného systému je v rámci celosvětového jaderného průmyslu zanedbatelným specializovaným trhem, mohla by se stát velmi lukrativní zakázkou pro společnost, která tuto technologii ovládne a stane se dodavatelem, zejména pro země, jako je USA, kde odvětví atomové energie <a href="http://oenergetice.cz/jaderne-elektrarny/budoucnost-jaderne-energie-usa-stale-nejista/">stagnuje již po desetiletí</a>.
V USA, Evropě a Japonsku přísnější regulatorní požadavky, stavební zpoždění, veřejná nedůvěra a politická opozice prakticky zastavily rozvoj jaderné energetiky a umožnily například bankrot společnosti Westinghouse, jednoho z průkopníků v odvětví jaderné energetiky. Země jako Německo, Jižní Korea a Tchaj-wan se od jaderné energetiky odklánějí a hledají alternativy v obnovitelných zdrojích energie nebo zemním plynu. Vedení v rozvoji nových jaderných elektráren se tak s největší pravděpodobností ujmou Čína a Rusko.
Zdroj úvodní fotografie: NASA

Technologie

Rychlejší cesta na Mars? NASA chce oživit jaderný pohon z dob studené války

NASA úspěšně provedla počáteční testy svého kompaktního jaderného systému, který byl navržen pro dlouhé mise na nehostinném povrchu Marsu. Zátěžový test plného výkonu systému je plánován na březen. <a href="https://www.reuters.com/article/us-space-nuclear/u-s-tests-nuclear-power-system-to-sustain-astronauts-on-mars-idUSKBN1F72T8">Dle agentury Reuters</a> tyto informace uvedli pracovníci NASA ve čtvrtek.
Pro dlouhé vesmírné mise na Měsíci, Marsu i v dalších destinacích je jednou z nejdůležitějších výzev zajištění spolehlivého a vysoce účinného zdroje elektrické energie. Elektřina je nezbytná pro zajištění každodenních potřeb, jako je osvětlení, voda nebo kyslík, neobejdou se bez ní ani experimenty a výroba paliva pro dlouhou cestu zpět na Zemi.
Zdroj musí mít dostatečný výkon pro to, aby mohl napájet základny, a zároveň být dostatečně malý a lehký, aby bylo možné ho přepravit na místo určení. NASA prozatím podobný systém neměla, jelikož dosavadní lunární mise konané v letech 1969 až 1972 byly natolik krátké, že podobný zdroj nebyl potřeba.
V prosinci americký prezident Donald Trump podepsal nařízení, které má připravit půdu pro nové mise na Měsíci a případnou misi na Marsu. Příprava zdroje elektrické energie je tak namístě.
NASA pro tyto mise vyvinula reaktor Kilopower, který dokáže produkovat 1-10 kW elektrického výkonu nepřetržitě i více než 10 let. Prototyp využívá jako palivo Uran-235 v pevné formě. Teplo produkované reaktorem je přenášeno pomocí teplovodivých trubek plněných sodíkem a následně je transformováno s vysokou účinností na elektřinu <a href="https://cs.wikipedia.org/wiki/Stirling%C5%AFv_motor">Stirlingovým motorem</a>. Motor využívá tepelnou energii pro vznik tlakové síly, ta dává do pohybu píst spojený s alternátorem, který vyrábí elektřinu.
Téměř dva a půl měsíce dlouhé počáteční testování systému Kilopower začalo v listopadu v Nevadě a ve čtvrtek pracovníci NASA informovali o jeho úspěšném dokončení. Nyní systém čeká zátěžový test, který ověří provoz na  plný výkon po dobu 28 hodin, <a href="https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/kilopower/Kilopower_whats_next">proveden by měl být na konci března</a>.
Zkoušky komponent systému nazývaného KRUSTY byly &#8222;velmi úspěšné &#8211; modely dokázaly velmi dobře předpovědět, co se stane a operace probíhaly hladce&#8220;, uvedl Dave Poston, hlavní konstruktér reaktoru z Los Alamos National Laboratory.
<figure id="attachment_47441" style="width: 1041px" class="wp-caption aligncenter"><a href="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/01/kilopower.jpg"><img class="size-full wp-image-47441" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2018/01/kilopower.jpg" alt="" width="1041" height="320" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Testování jaderného reaktoru Kilopower. Zdroj: NASA</figcaption></figure>
<h2>Systém byl vyvinut zejména pro mise na Marsu</h2>
Na rozdíl od solárních systémů, lze štěpné reaktory jako zdroj energie využít kdekoliv, kam NASA vyšle své astronauty nebo roboty. Například na Marsu se intenzita slunečního záření v průběhu ročních období značně liší a prachové bouře zde mohou trvat až měsíce. Na Měsíci chladná lunární noc přetrvává po dobu 14 dní. V těchto náročných prostředích je výroba elektřiny ze slunečního záření obtížná a možnosti dodávky paliva jsou omezené. Kilopower je lehký, spolehlivý a výkonný, což z něj dělá ideální zdroj pro mise na Marsu nebo Měsíci.
<blockquote>
&#8222;Potřebujeme zdroj energie, který dokáže zvládnout extrémní prostředí. Kilopower nám otevírá celý povrch Marsu včetně severních zeměpisných šířek, kde může být voda. Na Měsíci by mohla být technologie Kilopower nasazena, aby pomohla hledat zdroje v kráterech s trvalým stínem,&#8220; uvádí Lee Mason, hlavní technologický technik společnosti NASA pro výrobu a skladování energie.
</blockquote>
Mason uvedl, že Mars je hlavním zaměřením projektu Kilopower a poznamenává, že lidská mise pravděpodobně bude vyžadovat zdroje schopné dodat výkon 40-50 kW.
<blockquote>
&#8222;Kompaktní rozměry a robustnost technologie Kilopower nám dovoluje dodávat na povrch několik jednotek na jediném přistávacím modulu, což poskytne desítky kilowattů výkonu,&#8220; uvádí Steve  Jurczyk.
</blockquote>
Technologie by mohla napájet stanoviště a systémy pro podporu života, umožnit astronautům získávat zdroje, dobít rovery a provozovat zařízení přeměňující zdroje na planetě na kyslík, vodu a palivo. Mohla by také potenciálně posílit elektrické pohonné systémy kosmických lodí na misích na <a href="https://cs.wikipedia.org/wiki/Vnit%C5%99n%C3%AD_a_vn%C4%9Bj%C5%A1%C3%AD_planety">vnějších planetách</a>.
Úvodní fotografie: Prototyp energetického zdroje Kilopower; Zdroj: NASA Glenn Research Center

Zdroj elektřiny pro Mars: Nasa úspěšně otestovala nový jaderný minireaktor

Americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku (NASA) zahájí tento měsíc testování uranem poháněného Stirlingova motoru pro budoucí mise na Marsu. Technologie byla vyvinuta jako součást Projektu Kilopower.
Reaktor Kilopower dokáže produkovat 1-10 kW elektrického výkonu nepřetržitě po dobu 10 let i více. Prototyp energetického zdroje využívá jako palivo Uran-235 v pevné formě. Teplo produkované reaktorem je přenášeno pomocí teplovodivých trubek plněných sodíkem a následně je transformováno s vysokou účinností na elektřinu <a href="https://cs.wikipedia.org/wiki/Stirling%C5%AFv_motor">Stirlingovým motorem</a>. Motor využívá tepelnou energii pro vznik tlakové síly, ta dává do pohybu píst spojený s alternátorem, který vyrábí elektřinu.
<figure id="attachment_45060" style="width: 973px" class="wp-caption alignnone"><img class="size-full wp-image-45060" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2017/11/Kilopower.png" alt="" width="973" height="659" /><figcaption class="wp-caption-text">Model Kilopower</figcaption></figure>
Výzkumné centrum Glenn NASA v Cleavelandu provedlo všechny fáze projektu Kilopower od návrhu a výroby součástí ve spolupráci s Marshall Space Flight Center v Alabamě, až po vývojové a provozní testování. Divize jaderné bezpečnosti v Národním bezpečnostním komplexu v Oak Ridge v Tennessee dodala reaktorové jádro.
S testy NASA začne počátkem příštího roku ve spolupráci s Nevadskou národní bezpečnostní laboratoří, která spadá pod Americké ministerstvo energetiky. Součástky projektu Kilopower podstoupí plnozátěžový test trvající 28 hodin.
<h2>Využitelnost potvrdí testy</h2>
„Nadcházející nevadské testy zodpoví mnoho technických otázek, které dokáží proveditelnost této technologie, s cílem posunout ji na další technologickou úroveň. Bude se jednat o bread-board test ve vakuu, který simuluje skutečné podmínky budoucího pracovního prostředí,“ uvedl vedoucí výzkumu Marc Gibson.
„Vesmírný jaderný reaktor může poskytnout zdroj s vysokou energetickou hustotou se schopností pracovat nezávisle na slunečním záření a dokáže pracovat v extrémně drsných podmínkách, jaké panují na povrchu Marsu,“ říká Patrick McClure, vedoucí projektu Kilopower pracující v Los Alamoských národních laboratořích (LANL).
<figure id="attachment_45061" style="width: 1024px" class="wp-caption alignnone"><img class="size-large wp-image-45061" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2017/11/stmd_grc-2017-c-06895-1024x683.jpg" alt="" width="1024" height="683" /><figcaption class="wp-caption-text">Manipulace s prototypem Kilopower ve výzkumném středisku NASA</figcaption></figure>
David Poston, hlavní reaktorový designer v LANL dodává: „Reaktorová technologie, kterou testujeme, může být použita pro mnoho misí NASA a my nakonec doufáme, že jde o první krok pro štěpné reaktory tvořící nové paradigma opravdu ambiciozních a inspirujících vesmírných objevů. Jednoduchost je nezbytná v každém kroku inženýrského projektu. Nepotřebujeme nutně nejjednodušší design, ale dosažení té nejjednodušší cesty skrz návrh, vývoj, výrobu, bezpečnost a testování.“
Lee Mason, ředitel technologie pro výrobu a energetická úložiště z ředitelství vesmírných technologických misí v NASA uvedl: „Program testování projektu Kilopower nás má přesvědčit, že tato technologie je připravena k použití ve vesmíru. Budeme kontrolovat analytické modely v průběhu ověřovacího procesu a sledovat jak dobře si jednotlivé součásti povedou.“
<h2>Náhrada vzácného Plutonia 238</h2>
Vesmírné mise vyžadují spolehlivý a dlouhodobý zdroj energie pro vesmírný pohon, stejně jako zdroj elektřiny pro experimentální zařízení. Radioizotopové termoelektrické generátory (RTG) jsou široce používány jako energetické zdroje satelitů a dalších vesmírných vozidel, jako Mars rover Curiosity. Nicméně prakticky veškeré RTG jsou poháněny plutoniem 238, které je momentálně nedostatkové.

Mason uvádí: „To co se snažíme vytvořit, je dát vesmírným misím další RTG, který bude poskytovat výkon minimálně několik set wattů. Rozdílem mezi všemi velkými věcmi, které jsme na Marsu uskutečnili, a které bychom chtěli učinit pro mise na tuto planetu, je energie. Tato nová technologie může dodávat kilowatty a eventuálně ji bude možné rozvinout do zdroje s elektrickým výkonem stovek kilowattů nebo až megawattů.“
Zdroj obrázků a informací: NASA.gov

NASA testuje prototyp reaktoru Kilopower pro vesmírné aplikace

Uber se účastní jednání o uskutečnění společného průmyslového projektu s NASA na vývoj softwaru, který by měl sloužit k <a href="http://www.reuters.com/article/us-portugal-websummit-uber/uber-in-deal-with-nasa-to-build-flying-taxi-air-control-software-idUSKBN1D81AE" target="_blank" rel="noopener noreferrer">řízení provozu</a> elektřinou poháněných <a href="https://www.uber.com/info/elevate/" target="_blank" rel="noopener noreferrer">létajících taxíků</a>. Ten by měl fungovat na podobném principu společnosti Uber na sdílení vozů, který je již po několik let úspěšně aplikován v provozu na pozemních komunikacích.
Uber poznamenal, že se jedná o historicky první formální smlouvu od NASA, která pokrývá pohyb ve vzduchu v menších nadmořských výškách. Až doteď se od 50. let minulého století NASA orientovala čistě na prostor mimo Zemi.
Produktový ředitel Uberu, Jeff Holden, rovněž uvedl, že zahájí testovací provoz čtyřmístných létajících taxi pohybujících se rychlostí až 320 kilometrů v hodině, které společnost plánuje pro Los Angeles nasadit v roce 2020. První testovací destinací je ovšem Dallas/Fort Worth.
Uber čelil na začátku tohoto desetiletí regulačním a právním bitvám po celém světě po spuštění svého produktu sdíleného cestování, které je vnímané jako levnější alternativa k taxi službě. Velká vlna nevole proběhla například Londýnem.
Holden předeslal své plány létajícího taxi na Web Summitu, internetové konferenci v Lisabonu, kde zdůraznil, že tvrdě pracuje na schválení ze strany regulace letového provozu za účelem zavedení této služby.
<figure id="attachment_44674" style="width: 1024px" class="wp-caption aligncenter"><img class="size-large wp-image-44674" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2017/11/UberAir_srovnani-s-automobilovou-prepravou-1024x572.jpg" alt="Cestování s tzv. VTOL, tedy letadlem se schopností vertikálního vzletu a přistání, má přinést velkou časovou úsporu. Zdroj: Uber" width="1024" height="572" /><figcaption class="wp-caption-text">Cestování s tzv. VTOL, tedy letadlem se schopností vertikálního vzletu a přistání, má přinést velkou časovou úsporu. Zdroj: Uber</figcaption></figure>
Uber začínal jako klasický startup. Narozdíl od většiny odstatních se ovšem stal velkou společností s velkým vlivem, a to ne v menším než světovém měřítku. Z toho logicky vyplývá i nutnost jiného přístupu k problémům.
<h2>Projekt je rozdělen do několika fází</h2>
NASA prohlásila, že s Uberem v lednu podepsala obecnou dohodu o spolupráci. Ta společnosti umožňuje zapojit se mezi průmyslové partnery NASA, kteří se mají podílet na mnoha aspektech vývoje tohoto systému pro řízení provozu nad zemí.
Spolupráce s Uberem by měla být zahájena ve čtvrté fázi, která je plánována na březen roku 2019.
První fáze, dokončená v roce 2015, zahrnovala testování v rámci Dozoru nad civilním letectvím. Jednalo se převážně o využití dronů v zemědělství, hasičské práce a kontroly potrubí. Druhá fáze v roce 2016 zahrnovala dlouhé vzdálenosti v řídce obydlených oblastech. Třetí fáze, jež bude spuštěna v roce 2018, bude testovat služby ve středně obydlených oblastech a čtvrtá fáze, kdy bude testování rozšířeno do hustě obydlených oblastí, bude zahájena v roce 2019.

Energetika v zahraničí

Uber jedná s NASA o vytvoření softwaru pro řízení létajících taxíků (video)

Americká národní agentura pro vesmír a kosmonautiku (NASA) je přesvědčena o tom, že tato jaderná technologie je „nejúčinnějším způsobem dosažení“ rudé planety. Tuto informaci sdělil ve svém prohlášení administrátor NASA a bývalý kosmonaut Charles Bolden tento týden v americkém kongresu.
<blockquote>
„Jsme na cestě k Marsu a většina lidí věří, že v konečném důsledku je jaderný pohon tou nejlepší cestou, jak ho dosáhnout,“ řekl Bolden.
</blockquote>
<h2 style="text-align: justify">Jak funguje jaderný pohon pro vesmírnou loď?</h2>
Jaderné motory využívají ke své práci štěpení jader uranu, které probíhá řízeně v reaktoru. Myšlenka je ve skrze jednoduchá. Jaderný reaktor bude využíván podobně, jako je dnes využíván pro výrobu elektrické energie. Teplo ze štěpných reakcí však namísto ohřevu vody a její transformace na páru bude předáváno hnacímu plynu, který přes ústí trysek vytvoří tah pro pohon lodi.
Ve svém projevu se ale bohužel Bolden nezmínil o tom, jak dlouho s tímto pohonem samotná cesta na Mars potrvá. NASA sází na jaderný pohon, protože spolu s komponenty váží přibližně polovinu hmotnosti chemické rakety o stejném tahu. To znamená, že raketoplán může mít mnohem nižší celkovou hmotnost a díky tomu se pohybovat rychleji. Na rozdíl od současné technologie předem definované trajektorie pohybu umožňuje jaderný pohon mnohem širší možnosti manévrování po celou dobu letu.
Oznámení NASA přišlo po zprávě vydané počátkem minulého týdne ze strany Ruska, které uvedlo, že do roku 2018 plánuje testovat jaderné reaktory za účelem dobývání vesmíru. Rusové dokonce tvrdí, že takový jaderný pohon by astronautům pomohl dosáhnout Marsu v pouhých šesti týdnech. To by byl v porovnání se současnými chemickými motory, které pro dosažení Marsu potřebují šestnáct měsíců, skutečně velký skok. Rusko by tak mohlo být prvním národem, který stane na rudé planetě. Projekt za 274 miliónů dolarů, na který od počátku dohlíží agentura RosCosmos, byl v roce 2010 převeden pod jaderný gigant Rosatom.
<blockquote>
„Jaderná pohonná jednotka umožňuje dosažení Marsu za dobu jednoho až jednoho a půl měsíce a poskytuje citelné zrychlení a rozšíření možností řízení lodi,“
Sergej Kirijenko, šéf agentury Rosatom.
</blockquote>
<figure id="attachment_17806" style="width: 599px" class="wp-caption aligncenter"><a href="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2016/03/Rorsat.jpg"><img class="wp-image-17806 size-full" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2016/03/Rorsat.jpg" alt="Sovětský svaz již za studené války provozoval více než 30 družic na štěpný pohon. Jednou z nich byla družice Rorsat; Autor: Smithsonian/DIA" width="599" height="380" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Sovětský svaz již za studené války provozoval více než 30 družic na štěpný pohon. Jednou z nich byla družice Rorsat; Autor: Smithsonian/DIA</figcaption></figure>
Dnešní raketové pohony mohou dosáhnout povrchu Marsu za přibližně rok a půl, bez možnosti návratu.
Rusko dosud ve vesmíru použilo přes 30 jaderných reaktorů, převážně pro pohon družic. Naproti tomu USA do dnešní doby vyslala do vesmíru pouze jediný experimentální reaktor SNAP – 10A (Systém pomocného jaderného napájení z roku 1965).
Inženýři z NASA navrhli plány na využití jaderného tepelného pohonu pro misi na Mars v roce 2033. Podle návrhu kosmické agentury by palivem reaktoru byl izotop uranu U235, známý z běžných energetických reaktorů. Tepelná energie produkovaná štěpením by ohřívala tekutý vodík uvnitř reaktoru, čímž by docházelo k jeho přeměně na ionizovaný plyn nebo plazma. Toto plazma by bylo následně vedeno do trysek rakety a v nich vytvářelo potřebný tah.
Doktor Stanely Borowsky, vědec z Výzkumného centra Johna Glenna pod NASA, minulý rok v oficiálním dokumentu NASA nastínil, jak by nový pohon mohl být využíván pro raketoplány určené k vesmírným cestám.
Řekl, že kosmická loď nazvaná Copernicus, by se skládala ze samostatného nákladového prostoru a prostoru pro posádku. Každá část by disponovala vlastním jaderným pohonným stupněm. Každý stupeň by měl být vybaven třemi motory, přičemž každý by vyvinul tah 25 000 liber (≈11,34 tun).
<figure id="attachment_17807" style="width: 634px" class="wp-caption aligncenter"><a href="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2016/03/254E9CAF00000578-0-A_schematic_of_the_nuclear_thermal_rocket_shows_how_liquid_hydro-m-44_1422985290686.jpg"><img class="wp-image-17807 size-full" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2016/03/254E9CAF00000578-0-A_schematic_of_the_nuclear_thermal_rocket_shows_how_liquid_hydro-m-44_1422985290686.jpg" alt="Schéma jaderné tepelné rakety zobrazuje, jak tekutý vodík požitý jako pohonné médiu je zahříván v reaktoru; Zdroj: NASA" width="634" height="230" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Schéma jaderné tepelné rakety (NERVA) zobrazuje, jak je tekutý vodík použitý jako pohonné médium zahříván v reaktoru; Zdroj: NASA</figcaption></figure>
Borowski odhaduje, že tyto raketoplány mohou urazit vzdálenost 40 miliónů mil na Mars během 100 dní. Vesmírnému plavidlu od Mars Science Laboratory, nesoucí vozítko Curiosity Rover vyrobené v NASA, by s tímto jaderným pohonem cesta na rudou planetu zabrala 253 dní.
Jak tvrdí Dr. Borowski ve své zprávě: „Předložená analýza ukazuje, že je díky novým technologiím možné zkrátit trvání vesmírných cest až o 50 %.“
NASA začala jako první zkoumat jaderné tepelné pohony pro využití ve vesmíru v rámci svého programu Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) a to již v roce 1959. Nicméně projekt, který byl výsledkem spolupráce agentury NASA a Americké komise pro atomovou energii, byl roku 1973 oficiálně ukončen, stejně jako program vesmírných misí Apollo. Během této doby vytvořili vědci několik prototypů, ze kterých byl nejpokročilejší pohon Pewee. Žádný z těchto prototypů nebyl nikdy použit pro let.
Návrhy pro rakety poháněné jaderným zdrojem byly také diskutovány na loňské prezentaci doktora Michaela Houtse, manažera jaderného výzkumu z Marshallova centra vesmírných letů při NASA. Houts ve své přednášce popsal jaderný pohon jako „Technologii, která zásadně mění pravidla hry v objevování vesmíru.“ Zároveň dodal, že věří, že se jeho týmu v následujících třech letech podaří dokázat životaschopnost a dostupnost této technologie. Dr. Houts tvrdí, že: „Jaderný tepelný pohon je novou zásadní technologií – energie se již nezískává z chemických reakcí, ale štěpením.“
„Pokročilé jaderné pohonné systémy mohou dosahovat extrémně vysokých výkonů a poskytovat nové možnosti.“
Dr. Michael Houts
<h2 style="text-align: justify">Jaderná historie NASA</h2>
NASA používá jaderné materiály pro vesmírný výzkum již několik desetiletí. V roce 1960 program vývoje napájení pro družice s názvem Transit, poprvé použil plutoniové baterie. Princip spočíval v zabalení plutoniového zdroje do termoelektrika (materiálu fungujícím na principu Seebeckova jevu) a teplo produkované jaderným rozpadem bylo zdrojem elektrické energie. NASA také použila plutoniové baterie ve své neúspěšné družici Nimbus B1, která po startu explodovala.
<figure id="attachment_17813" style="width: 640px" class="wp-caption aligncenter"><a href="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2016/03/Voyager-probe.jpg"><img class="wp-image-17813 size-full" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2016/03/Voyager-probe.jpg" alt="Vesmírná sonda Voyager; Zdroj: NASA" width="640" height="350" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Vesmírná sonda Voyager; Zdroj: NASA</figcaption></figure>
Další sondy využívající nukleární baterie:
<ul>
<li style="text-align: justify">Družice Pioneer (1972, 1973) &#8211; používaly 155wattové jaderné baterie pro zajištění stálého napájení na okraji Sluneční soustavy.</li>
<li style="text-align: justify">Viking landers (1976) – družice, která poprvé přistála na Marsu. Plutoniový zdroj dodával energii pro naplánované experimenty.</li>
<li style="text-align: justify">Sondy Voyager – první lidstvem uměle vytvořený objekt, který překonal hranice Sluneční soustavy. Disponovaly třemi bateriemi s izotopem uranu U238. Díky nim sondy dokázaly udržet komunikaci se Zemí až 36 let.</li>
<li style="text-align: justify">Sonda Ulysses &#8211; let okolo Jupitera.</li>
<li style="text-align: justify">Galileo &#8211; zkoumání jupiterových měsíců. Byla vybavena dvěma jadernými bateriemi s výkonem 570 wattů.</li>
<li style="text-align: justify">Saturnova družice Cassini &#8211; nesla dosud největší jadernou baterii v celé historii vesmírných expedic. Hmotnost této baterie činila téměř 33 kg.</li>
</ul>

Elektřina

NASA hodlá pro let na Mars využít jaderný pohon

Americká kosmická sonda Juno stanovila nový rekord, stala se objektem napájeným slunečním zářením na historicky nejdelší vzdálenost. Sonda, jejímž cílem je prozkoumat Jupiter, podle informací NASA dosáhla rekordní vzdálenosti 793 milionů kilometrů od Slunce ve středu. K Jupiteru by měla dorazit 4. července 2016. 
Čtyřtunová sonda, jež byla vyslána americkou agenturou NASA v roce 2011, je prvním kosmickým zařízením navrženým pro využívání slunečního záření na tak velkou vzdálenost od Slunce. To je také důvod, proč jsou panely sondy výrazně větší. Energii zajišťuje 18 698 solárních článků na třech 9 metrů dlouhých panelech. Pokud by byly tyto panely nainstalovány na zemském povrchu, generovaly by při jasném slunečném dni přibližně 14 kW elektřiny.
<blockquote>
&#8222;Jupiter je pětkrát dále od Slunce než Země a sluneční záření, které dosáhne takové vzdálenosti má 25krát nižší energii. Ačkoliv naše masivní sluneční panely budou ve vzdálenosti Jupiteru generovat jen 500 wattů, Juno je velmi efektivně navržena a bude to tedy více než dost, aby zvládla svou práci.&#8220; 
Rick Nybakken, projektový manažer sondy Juno, z NASA Jet Propulsion Laboratory
</blockquote>
Sonda Juno překonala předchozí rekord stanovený sondou Rosetta Evropské kosmické agentury (ESA) v říjnu 2012.
<figure id="attachment_14595" style="width: 1024px" class="wp-caption aligncenter"><img class="size-full wp-image-14595" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2016/01/juno-vzdalenost.jpg" alt="Pozice sondy Juno vzhledem ke zbytku sluneční soustavy. Zdroj: NASA" width="1024" height="1024" /><figcaption class="wp-caption-text">Pozice sondy Juno vzhledem ke zbytku sluneční soustavy. Zdroj: NASA</figcaption></figure>
Před sondou Juno bylo na vzdálenost Jupiteru a dál vysláno 8 sond. Všechny byly poháněny <a href="http://oenergetice.cz/elektrina/elektromobilita/radioizotopovy-termoelektricky-generator-tajemstvi-energie-v-dalekem-vesmiru/">jadernou energií</a>. Využití solární energie je nyní možné díky vyššímu výkonu fotovoltaických článků, energeticky úsporným přístrojům a návrhu trajektorie sondy tak, aby se vyhnula zastínění Jupiterem. Největší vzdálenost sondy v rámci šestnáctiměsíční vědecké mise bude okolo 832 milionů kilometrů, což je téměř 5% nárůst rekordu pro kosmická zařízení napájená slunečním zářením.
Sonda Juno má dorazit k Jupiteru 4. července 2016. V průběhu příštího roku oběhne Jupiter 33× a každých 14 dní se přiblíží na vzdálenost 5 000 kilometrů od vrcholku mraků. Při představě Jupiteru ve velikosti basketbalového míče by ekvivalent této vzdálenosti odpovídal zhruba 0,8 cm. Během průletů bude sonda sbírat informace, které umožní vědcům zjistit více o původu, struktuře a atmosféře planety.
Úvodní fotografie: NASA

Sonda Juno překonala rekord vzdálenosti ve využití sluneční energie

Družicím vyslaným do dalekého vesmíru často trvá až desítky let, než dorazí na místo, které je cílem jejich mise. Jak zajistit energii, aby vůbec byly schopné získat cenná data a odeslat je zpět na zem z míst, kde je sluneční záření příliš slabé a kam je dopravení těžkých technologií jako jaderných reaktorů příliš energeticky náročné? Technologie musí navíc splňovat další kritéria, např. bezúdržbovost, jinak řečeno musí obsahovat co nejmenší počet pohyblivých částic, které by se mohly stát předmětem poruchy vlivem opotřebení či otřesů během vzletu a přistání.
Odpovědí na tuto otázku je RTG – radioizotopový termoelektrický generátor. Jedná se o kovovou trubici o délce zhruba půl metru s průměrem okolo 40 cm. Uvnitř se nachází zdroj tepla obklopený termočlánky. Vše je následně opatřeno několika vrstvami ochranného pouzdra. Toto zařízení je schopné zajistit elektřinu i teplo pro sondy či výzkumná vozítka až na desítky let.
<figure id="attachment_6139" style="width: 750px" class="wp-caption aligncenter"><img class="wp-image-6139 size-full" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/07/SpacePowerSources.jpg" alt="Různé zdroje napájení pro různé úrovně výkonu a různou dobu. Zdroj: Dr. Alan Waltar" width="750" height="474" /><figcaption class="wp-caption-text">Různé zdroje napájení pro různé úrovně výkonu a různou dobu. Zdroj: Dr. Alan Waltar</figcaption></figure>
<h2>Palivo</h2>
Palivem pro RTG je nestabilní izotop určitého prvku (například <a href="https://cs.wikipedia.org/wiki/Plutonium">plutonia-238</a>), který se díky své nestabilitě samovolně mění prostřednictvím jedné z přeměn  α, β nebo γ, jinými slovy je radioaktivní. RTG je tedy řazen mezi alternativní jaderné zdroje.
Nejvhodnější je radioizotop s poločasem rozpadu v řádu desítek let a přeměnou α, která dobře přenáší energii a jejíž záření je velmi snadné stínit (postačí např. list papíru). Kinetická energie částic se u tohoto typu přeměny zcela přemění v tepelnou, díky čemuž nejsou termočlánky vystaveny nežádoucímu degradačnímu vlivu a obsluha zdravotním rizikům.
Nejčastěji se využívá izotopu plutonia-238, který má poločas rozpadu 87,7 roku a je zdrojem silného α záření. Při něm jsou emitovány jádra helia, což je doprovázeno uvolněním vazebné energie o velikosti 5,6 MeV (8,97∙E-13 J). U MMRTG (Multi Mission RTG), využitého ve výzkumném vozítku Curiosity vyslaném na Mars, bylo využito 4,8 kg PuO2, které emituje 2,7∙E15 jader helia za sekundu. Energie, kterou je plutonium schopno dodávat klesá zhruba o 5 % každé 4 roky.
<figure id="attachment_6133" style="width: 512px" class="wp-caption aligncenter"><img class="wp-image-6133 size-medium" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/07/Radioisotope_thermoelectric_generator_plutonium_pellet-512x403.jpg" alt="Peleta 238PuO2, využívaná v RTG. Autor: Deglr6328" width="512" height="403" /><figcaption class="wp-caption-text">Peleta 238PuO2, využívaná v RTG. Autor: Deglr6328</figcaption></figure>
Plutonium ve formě granulovaného oxidu plutoničitého (238PuO2) je slisováno do velkých tablet ve tvaru válce, které jsou následně zahřátím na vysokou teplotu slinuty do materiálu podobného keramice. Pro zajištění maximální bezpečnosti a co možná nejlepších podmínek pro vedení tepla jsou bloky opatřeny kovovým pouzdrem z velice pevného kovu (obvykle iridia) a tepelnou ochranou z uhlíkového laminátu. Takto upravené palivo je označováno zkratkou GPHS – General Purpose Heat Source, neboli univerzální tepelný zdroj.
<figure id="attachment_10688" style="width: 1024px" class="wp-caption aligncenter"><img class="wp-image-10688 size-full" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/GPHS.jpg" alt="GPHS" width="1024" height="436" /><figcaption class="wp-caption-text">Složení GPHS modulu. Zdroj: NASA</figcaption></figure>
<h2>Princip funkce radioizotopového termoelektrického generátoru</h2>
Přeměnou jednotlivých jader izotopu se uvolňuje energie ve formě kinetické energie emitovaných částic. Tyto částice následně narážejí do teplonosného materiálu, kde svoji kinetickou energii přeměňují na teplo. K přeměně tepelné energie na elektrickou dochází v polovodičových termočláncích (např. ze slitiny křemíku a germania), tato přeměna je možná na základě tzv. Seebeckova jevu.
Seebeckův jev byl objeven již v roce 1821 a popisuje vznik napětí v obvodu složeném ze dvou vodičů, případně polovodičů, za předpokladu různé teploty v jejich spoji. Toto napětí je nazýváno termoelektrické a je dáno rozdílem kontaktních napětí vznikajících na spojích daných kovů.
<figure id="attachment_10692" style="width: 345px" class="wp-caption aligncenter"><img class="wp-image-10692 size-full" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/Seeback_VUT-Brno.jpg" alt="Seeback_VUT Brno" width="345" height="146" /><figcaption class="wp-caption-text">Princip Seebeckova jevu. Zdroj: VUT Brno</figcaption></figure>
S vývojem polovodičových materiálů bylo zjištěno, že jsou oproti kovům a jejich slitinám pro tuto aplikaci vhodnější.
Přeměna tepla na elektřinu za pomoci termočlánků se vyznačuje nízkou účinností (5-7%), která je vyvážena vysokou spolehlivostí zařízení, jež je dána absencí jakýchkoliv pohyblivých částí. NASA udává, že RTG dodala jejím zařízením energii v součtu po více než 300 let a nikdy se nestalo, že by byť jediný termočlánek přestával vyrábět energii.  Maximální výkony RTG pro kosmické účely dosahovaly zhruba 300 We.
<h2>Konstrukce RTG</h2>
Topné elementy GPHS jsou vsazeny do středu RTG a následně obklopeny polovodičovými termočlánky, teplotní rozdíl na termočlánku je zajištěn kontaktem jeho jedné části s teplonosným materiálem, který obklopuje topné elementy, a připojením druhé části na chladič, jež je v podobě lopatek umístěn na vnější části RTG.
<figure id="attachment_10690" style="width: 647px" class="wp-caption aligncenter"><img class="wp-image-10690 size-full" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/10/MMRTG_schema.png" alt="MMRTG poskytující elektřinu a teplo Curiosity Roveru, který v roce 2006 dosedl na povrch Marsu. Zdroj: NASA " width="647" height="585" /><figcaption class="wp-caption-text">MMRTG poskytující elektřinu a teplo Curiosity Roveru, který v roce 2012 dosedl na povrch Marsu. Zdroj: NASA</figcaption></figure>

<h2>RTG v kosmu</h2>
<h3>Curiosity Rover (Mars, přistání 2012)</h3>
Výzkumné vozítko vyslané na Mars, kde vysoká prašnost znemožňuje funkci fotovoltaických článků, o čemž se NASA přesvědčila u předchozích modelů Spirit a Opportunity, které na Marsu přistály v roce 2004. Curiosity je vybaveno MMRTG o hmotnosti 44 kg, se 4,8 kg oxidu plutoničitého. Jeho výkon při dokončení dosahoval zhruba 110 We. MMRTG pro Curiosity zajišťuje jak elektřinu, tak i teplo prostřednictvím chladícího média zobrazeného v na schématu v předchozí kapitole.

<h3>New Horizons – kosmická sonda (vyslána 2006)</h3>
Sonda s cílem poskytnout informace o trpasličí planetě Pluto a jejích měsících, jejíž fotografie <a href="http://oenergetice.cz/technologie/elektroenergetika/plutonium-palivo-pohanejici-sondu-k-blizkemu-setkani-s-plutem/">dorazily v červenci tohoto roku</a>, po 9 letech letu o rychlosti téměř 58 000 km/h. Jedná se o nejrychlejší sondu, který kdy byla do vesmíru vyslána.
Na své palubě nese zhruba 10,9 kg pelet oxidu plutonia-238, které by měly zajistit provoz sondy po dalších deset let. RTG na palubě poskytuje napětí o velikosti 200 V a stejnosměrný proud 30 A.
<figure id="attachment_6132" style="width: 640px" class="wp-caption aligncenter"><img class="size-full wp-image-6132" src="http://oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/07/New_Horizons-RTG.jpg" alt="V Kennedyho kosmickém středisku NASA jeřáb zvedá radioizotopový termoelektrický generátor (RTG), který bude instalován v kosmická sondě New Horizons v pozadí. Zdroj: NASA" width="640" height="963" /><figcaption class="wp-caption-text">V Kennedyho kosmickém středisku NASA jeřáb zvedá radioizotopový termoelektrický generátor (RTG), který bude instalován v kosmické sondě New Horizons (v pozadí). Zdroj: NASA</figcaption></figure>
<h3>RTG v dalších sondách</h3>
<ul>
<li>Pioneer 10 a 11 (1972) &#8211; zkoumání Jupiteru, Saturnu a vzdáleného vesmíru, RTG pracoval po vice než 20 let</li>
<li>Voyager 1 a 2 (1977) &#8211; průzkum Jupiteur, Saturnu, Uranu, Neptunu a jejich měsíců a poté i vzdáleného vesmíru</li>
<li>Galileo (1989) – podrobný průzkum Jupitera a jeho měsíce</li>
<li>Ulysses (1990) &#8211;  zkoumání Slunce, jako první sonda pořídila obrázky jeho severního a jižního pólu</li>
</ul>
Parametry RTG využitých při misích NASA jsou dostupné <a href="https://solarsystem.nasa.gov/rps/rtg.cfm">zde</a>.
<h2>Využití termických generátorů</h2>
V aplikacích mimo vesmír se experimentuje s využíváním termických generátorů (TG), ve kterých není využito radioaktivního paliva, ale jiného zdroje tepla (většinou se jedná o odpadní teplo, jiné využití nemá při dané účinnosti smysl).
<h3>TG v automobilovém průmyslu</h3>
Odpadní teplo v automobilech odchází skrze výfukové plyny a chladící soustavu. U zážehových motorů činí odpadní teplo ve výfukových plynech 30-50 % přivedeného tepla a chlazením 15-35 % u zážehových motorů je bez užitku ztraceno 25-40 % přivedeného tepla výfukovými plyny a 12-30 % chlazením.
První TG pro automobilový průmysl byl sestrojen v roce 1963, následný vývoj pokračoval až s objevem levnějších a účinnějších materiálů. V roce 1988 byl na univerzitě v Karlsruhe sestrojen generátor pro Porsche 944, který při plném výkonu motoru dosahoval výkonu 58 We.
Jedny z posledních generátorů zkonstruovala automobilka BMW, generátor pro BMW X6 z roku 2011 dosahoval výkonu více než 600 We.
<h3>TG ve spalovacích zařízeních</h3>
Využití TG bylo také zkoumáno pro krytí vlastní spotřeby malých spalovacích zařízení z odpadního tepla, či přímo jako zdroj elektrické energie. V minulosti byly představeny generátory doplňující domovní kotle (výkon stovky We), spalovací zařízení na biomasu (desítky až stovky We) či v mikrokogeneračních jednotkách v kombinaci s palivovými články.
TG se zabývá například i Energetický ústav Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně, kde testují experimentální generátory pro malá spalovací zařízení.

Radioizotopový termoelektrický generátor - tajemství energie v dalekém vesmíru

Americká <a href="http://www.nasa.gov/">společnost NASA</a>, kterou má většina lidí spojenou především s vesmírným výzkumem, v nedávné době přišla s novou konstrukcí modulárních rotorových listů pro offshore <a href="http://oenergetice.cz/typy-elektraren/vetrne-elektrarny-princip-cinnosti-zakladni-rozdeleni/">větrné elektrárny</a>. Cena elektřiny z nových větrných parků na moři tak může díky projektu několika společností opět klesnout.
Nový rotorový list D78 vyvinula společnost <a href="http://www.bladedynamics.com/">Blade Dynamics</a> z Velké Británie. V rámci partnerské spolupráce s organizacemi DECC, Carbon Trust, Dow Chemical Company a institucemi NASA a Energy Technologies Institute, NAN Nový rotorový list má na délku 78m a modulární uspořádání. Je tedy sestaven z několika menších dílů, díky čemuž má lepší skladnost a nižší nároky na převoz. Dle ředitele Energy Technologie Institute, Davida Clarkeho, může díky vyšší spolehlivosti dále narůst délka lopatek a tím i výkon větrných elektráren, což v důsledku povede k redukci nákladů a tedy i ceny elektřiny z offshore větrných farem.
<figure id="attachment_7276" style="width: 270px" class="wp-caption alignright"><a href="http://oenergetice.cz/domains/oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/08/TurbineSize.jpg"><img class="size-medium wp-image-7276" src="http://oenergetice.cz/domains/oenergetice.cz/wp-content/uploads/2015/08/TurbineSize-270x300.jpg" alt="Srovnání listu D78 s velikostí fotbalového hřiště" width="270" height="300" /></a><figcaption class="wp-caption-text">Srovnání listu D78 s velikostí fotbalového hřiště</figcaption></figure>
<blockquote>
“List o délce 78 m využívá novou technologii, díky které může do budoucna průměr větrných elektráren přesáhnout i 200 m, což umožní stavbu větších a účinnějších turbín a povede ke snížení nákladů na energii.&#8220;
David Clarke, ředitel  Energy Technologies Institute
</blockquote>
Společnosti Blade Dynamics se tak rovněž otevírá možnost exportu rotorových listů pro mořské větrné elektrárny do celého světa.
<blockquote>
“Vzniká zde nový exportní potenciál v oboru rotorových listů pro již zavedené britské společnosti, které se tak mohou podílet na dodávkách listů turbín, což by jinak bylo téměř nemožné. Tato technologie tak reálně mění současná pravidla hry na trhu.&#8220;
Pepe Carnevale, CEO společnosti Blade Dynamics
</blockquote>
V současnosti je ve Velké Británii v provozu 1452 offshore větrných turbín s celkovým instalovaným výkonem 5054 MW, schopným zásobovat 3,5 milionu britských domácností a uspořit tak ročně 6,3 milionu tun skleníkových plynů.
Zdroj úvodního obrázku:  Blade Dynamics