Radioizotopový termoelektrický generátor - tajemství energie v dalekém vesmíru

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.

Palivo

Palivem pro RTG je nestabilní izotop určitého prvku (například plutonia-238), 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.

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.

Princip funkce radioizotopového termoelektrického generátoru

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.

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.

Konstrukce RTG

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.

RTG v kosmu

Curiosity Rover (Mars, přistání 2012)

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 W_e. MMRTG pro Curiosity zajišťuje jak elektřinu, tak i teplo prostřednictvím chladícího média zobrazeného v na schématu v předchozí kapitole.

New Horizons – kosmická sonda (vyslána 2006)

Sonda s cílem poskytnout informace o trpasličí planetě Pluto a jejích měsících, jejíž fotografie dorazily v červenci tohoto roku, 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.

RTG v dalších sondách

• Pioneer 10 a 11 (1972) – zkoumání Jupiteru, Saturnu a vzdáleného vesmíru, RTG pracoval po vice než 20 let
• Voyager 1 a 2 (1977) – průzkum Jupiteur, Saturnu, Uranu, Neptunu a jejich měsíců a poté i vzdáleného vesmíru
• Galileo (1989) – podrobný průzkum Jupitera a jeho měsíce
• Ulysses (1990) –  zkoumání Slunce, jako první sonda pořídila obrázky jeho severního a jižního pólu

Parametry RTG využitých při misích NASA jsou dostupné zde.

Využití termických generátorů

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).

TG v automobilovém průmyslu

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.

TG ve spalovacích zařízeních

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.