Plutonium - palivo pohánějící sondu k blízkému setkání s Plutem

23. červenec 2015, 20:00
DomůElektřinaPlutonium - palivo pohánějící sondu k blízkému setkání s Plutem

Planeta Pluto a sesterská planeta Charon byly poprvé zblízka spatřeny, když kosmická sonda NASA New Horizons proletěla minulý týden v jejich blízkosti. Sonda zachycuje fotografie Pluta a jeho měsíců a poskytuje fascinující poznatky o ledových horách trpasličí planety i její geologické aktivitě. S rychlostí okolo 58 000 km za hodinu se jedná o nejrychlejší sondu, která kdy byla do vesmíru vyslána.

Uskutečnění této mise bylo možné pouze díky radionuklidu plutonia-238, který je schopen nepřetržitě generovat energii daleko ve vesmíru, kde sluneční záření není dostatečně intenzivní, chemická energie je příliš těžká a kde baterie a palivové články nejsou schopny poskytovat elektřinu po dostatečně dlouhou dobu.

Když 19. ledna 2006 opustila naši planetu, nesla sonda na svojí palubě zhruba 10,9 kg pelet oxidu plutonia-238, radioaktivního izotopu, který se přirozeně rozkládá s poločasem rozpadu 87,7 let. O devět let později má sonda ještě dostatek plutonia na to, aby její přístroje mohly být v provozu dalších deset let.

 

Radioizotopový termoelektrický generátor (RTG)

V Kennedyho kosmickém středisku NASA jeřáb zvedá radioizotopový termoelektrický generátor (RTG), který bude instalován v kosmická sondě New Horizons (v pozadí). Zdroj: NASA

 

Jak se plutonium rozkládá, uvolňuje velké množství tepelné energie. Pelety plutonia-238 jsou uzavřeny v radioizotopovém termoelektrickém generátoru (RTG). Jinak řečeno, jsou uloženy v iridiu a grafitovém obalu a obklopeny termočlánky, které přeměňují teplo na elektřinu. RTG poskytuje napětí okolo 200 V a stejnosměrný proud o velikosti 30 A a napájí sedm vědeckých přístrojů, řízení sondy a komunikační systém.  Energie, kterou je schopno plutonium dodávat klesá pouze o zhruba 5 % každé 4 roky.

Využívané pro průzkum vesmíru od roku 1960, RTG jsou robustní a spolehlivé, neobsahují žádné pohyblivé části, které by se mohly opotřebovat nebo poškodit. Jejich odolnost z nich dělá perfektní kandidáty pro poskytování energie pro mise v dalekém vesmíru, jako je právě New Horizons.

Peleta oxidu plutonia-238, využitá v RTG pro misi Galileo. Počáteční výkon je 62 W. Peleta svítí červeně v důsledku tepla generovaného radioaktivním rozpadem (zejména α). Autor: Deglr6328

 

Sonda nemá na své palubě žádné baterie pro akumulaci energie, výstup z RTG je předvídatelný a s proměnností zatížení se vypořádají kondenzátory a jističe. Sonda také využívá raketového paliva hydrazinu a hélia pro stabilizování a kontroly pozice a trajektorie.

 

Jádro – zdroj energie vesmírných misí

 

Různé zdroje napájení pro různé úrovně výkonu a dobu, po kterou je energie potřeba. Zdroj: Dr. Alan Waltar

New Horizons není první sondou vyslanou do vesmíru, která by využívala radioaktivní materiály pro získávání energie, i další důležité mise využívaly plutonia:

  • Pioneer 10 a 11, které byly vyslány v roce 1972 pro zkoumání Jupiteru, Saturnu a vzdáleného vesmíru
  • Voyager 1 a 2, vyslány v roce 1977, aby navštívily Jupiter, Saturn, Uran, Neptun a jejich měsíce a následně i vzdálený vesmír
  • Galileo (1989), který podrobně zkoumal Jupiter a jeho měsíce
  • Ulysses (1990), která zkoumala Slunce a jako první sonda pořídila obrázky  jeho severního a jižního pólu

Kromě radioaktivních izotopů bylo ve vesmíru využito i několik plnohodnotných jaderných reaktorů.

SNAP 10-A, vyslaný do vesmíru roku 1965 Spojenými státy, byl 45kW tepelný jaderný reaktor, využívající paliva UZrH, tedy kombinaci hydridu zirkonia a hydridu uranu. Byl v provozu 43 dní a produkoval výkon 590 W, než byl odstaven pro s reaktorem nesouvisející poruchu. Na oběžné dráze zůstane okolo 4 000 let.

V letech 1967 a 1988 měl Sovětský svaz na oběžné dráze kolem Země 33 malých reaktorů chlazených slitinou sodíku a draslíku, většinou se jednalo o rychlé množivé reaktory (FBR) pracující při vysoké teplotě a využívající obohacený karbid uranu jako paliva.

Pro budoucí lunární kolonie budou nejlepším zdrojem energie velké jaderné reaktory. Měsíc je totiž poměrně bohatý na izotop helium-3, který by byl ideálním palivem pro fúzní reaktory.

Fotografie pořízena sondou New Horizons. Detail oblasti v blízkosti rovníku Pluta, ukazující řadu mladých hor tyčících se do výšky okolo 3 500 m nad povrch ledové planety. Zdroj: NASA

Plutonium-238 nyní bude nadále pohánět sondu New Horizons při průletu Krupierovým pásem, seskupením tisíce malých částic, které pomalu obíhají kolem Slunce. V tomto pásu pravděpodobně vznikla trpasličí planeta Pluto předtím, než z něj byla vytažena gravitací Neptunu a dalších těles.

Úvodní fotografie: Bernt Rostad