Jak lze získat v kosmu energii bez Slunce?

Josef Svoboda  |  Věda
Cílem sondy New Horizont je Pluto a na své palubě nese zdroj GPHS-RTG. Obrázek: NASA

RTG jako zkratku rentgenova záření z lékařské zprávy zná asi každý. Druhým, méně známým a pro život důležitým významem je RTG jako radioizotopový termoelektrický generátor (Radioisotope Thermoelectric Generator).

Zařízení RTG můžeme definovat jako zdroj elektrické energie, jehož palivem je nestabilní (tedy samovolně se měnící) izotop určitého prvku. Nedílnou součástí je konvertor, který přeměňuje uvolněnou tepelnou energii na elektrickou. Princip získávání tepelné energie je tedy založen na přirozené radioaktivitě objevené v roce 1896 A. H. Becquerelem (Wikipedie). Radioaktivitou je chápán úbytek radioaktivního izotopu zapříčiněný jednou z přeměn α, β, nebo γ. Nejedná se tedy o jaderný reaktor, který známe z jaderných elektráren, ale o alternativní jaderný zdroj.

Převoz zhotoveného RTG. Tento kus je součástí laboratoře Curiosity, která právě popojíždí na Marsu. Zdroj: NASA
Převoz zhotoveného RTG. Tento kus je součástí laboratoře Curiosity, která právě popojíždí na Marsu. Zdroj: NASA

Hlavním kritériem pro možnost využití radioizotopu v RTG je jeho poločas rozpadu a právě druh rozpadu. Druh rozpadu je důležitý z důvodu stínění elektronických součástek systému před zářením a hlavně z důvodu efektivity předání energie cílové části systému.

Poločas rozpadu (dle normy poločas přeměny) značíme T1/2. Statisticky vyjadřuje dobu, za kterou se právě polovina jader daného izotopu rozpadne jedním z již uvedených rozpadů. Tento parametr je důležitý pro výpočet maximální možné doby správného provozování elektroenergetického zdroje.

Při přeměně jednotlivých jader se uvolňuje energie, která je kinetickou formou „vystřelovaných“ částic přenesena do cílového (ohřívaného) materiálu. Tím vzniká tepelná energie. Obecně lze říct, že nejvhodnější je radioizotop s přeměnou alfa a poločasem přeměny v řádu let (10–100 let). Záření alfa dobře přenáší energii a na rozdíl od beta rozpadu, které je často doprovázené zářením gama, nepotřebuje téměř žádné stínění. Částice alfa je možné stínit např. listem papíru.

Řez generátorem MMRTG. Uprostřed je osm modulů GPHS, které předávají teplo termoelektrickým článkům (768 kusů) osazeným mezi GPHS a chladičem z hliníku. Zdroj: prezentace U. S. Department of Energy
Řez generátorem MMRTG. Uprostřed je osm modulů GPHS, které předávají teplo termoelektrickým článkům (768 kusů) osazeným mezi GPHS a chladičem z hliníku. Zdroj: prezentace U. S. Department of Energy (PDF)

Plutoniový termoelektrický generátor

RTG nejčastěji užívaných ve vesmírných misích je plutoniový termoelektrický generátor využívající radioizotop 238Pu. Tento izotop plutonia je pro daný účel nejvhodnější z důvodu uspokojivého poločasu rozpadu 87,7±0,3 let. Tato doba je pro účel vyslání zařízení do kosmu takřka ideální. Díky poměrně dlouhému poločasu přeměny má tento generátor schopnost dodávat po dlouho dobu konstantní napětí.

Další důvod k využití 238Pu je přeměna α, při které se 238Pu přemění na 234U za emise jader helia 4He a uvolnění vazebné energie o velikosti asi 5,6 MeV (8,97∙10-13 J). Pro představu je tato energie mnohem menší než energie kapky dopadající na zem.

Vylétajících částic je ale mnohem více, než spadne kapek při velkém lijáku. Konkrétně se jedná o nepředstavitelné množství asi 2,7∙1015 s-1 pro 4,8 kg PuO2 ≈ MMRTG (Multi Mission RTG – je to modernější RTG vyslané na Mars ve vozítku Curiosity).

Přirozený rozpad 238Pu na 234U a 4He (odnašeč energie)
Přirozený rozpad 238Pu na 234U a 4He (odnašeč energie)

Konstrukce plutoniového termoelektrického článku

Palivem RTG samozřejmě není čistý izotop 238Pu, ale oxid plutoničitý PuO2 v keramické formě. Keramické palivové peletky jsou zabaleny v několika obalech, aby byla zajištěna maximální bezpečnost a dobré podmínky pro vedení tepla.

Umístění a zapouzdření paliva v GPHS. Zdroj: U. S. Department of Energy, upraveno
Umístění a zapouzdření paliva v GPHS. Zdroj: U. S. Department of Energy, upraveno

Poskládané moduly GPHS (General Purpose Heat Source) jsou následně vsazeny do středu RTG a obaleny konvertory pro získávání elektrické energie. Na druhé straně konvertoru je chladič. Pro přeměnu energie na elektrickou se užívá termoelektrických článků pracujících na principu Seebeckova jevu (Wikipedie).

Nízkou účinnost v jednotkách procent (5–7 %) vykrývá u RTG vysoká spolehlivost. Žádná část zařízení není pohyblivá, což je extrémně důležité například vzhledem k otřesům při přistávání. Pro představu hmotnost celého MMRTG je asi 44 kg, z čehož palivo váží cca 4,8 kg.

Agentura NASA prováděla pokusy i se speciální plynovou turbínou, kde se jednalo o využití tzv. Braytonova systému s účinností 30 % (Wikipedie). Do budoucna se uvažuje také o Stirlingově motoru (Wikipedie) s účinnosti asi 20 %. Potom by se jednalo o tzv. ASRG – Advanced Stirling Radioisotope Generator. Nevýhodou u těchto systémů jsou ale pohyblivé části a možnost jejich poškození a opotřebení při dlouhodobé vesmírné misi.

Podívejte se na video, které představuje RTG ve vesmírné laboratoři Curiosity:

Nejznámější družice v kosmu s RTG

První oficiální využití RTG v kosmických misích se váže k počátku 70. let 20. století. Do vesmíru bylo vysláno na 29 zařízení s RTG a několik dalších tajných zařízení s těmito zdroji. Započteny jsou i jednotky i RHU- Radioisotope Heater Unit, které sloužily pouze k vytápění.

Nejvíce diskutovaným zařízením je zajisté vozítko Curiosity neboli MSL – Mars Science Laboratory, které úspěšně pracuje na Marsu. Mezi další známé družice patří například Pioneer 10 a 11, Voyager 1 a 2, Galileo, Ulysses, Mars Pathfinder, Cassini, Mars Exploration Rovers nebo také sonda New Horizons.

Umístění MMRTG, což je pokročilejší forma RTG, v MSL Curiosity. Zdroj: NASA
Umístění MMRTG, což je pokročilejší forma RTG, v MSL Curiosity. Zdroj: NASA

Kde jinde můžeme použít RTG?

Ve vesmíru se těchto zdrojů využívá v případě výprav vzdálenějších od Slunce, kde je nižší intenzita záření, nebo při vesmírných misích do míst s častými písečnými bouřemi. V těchto podmínkách jsou fotovoltaické články v podstatě bezmocné.

Mezi výhody RTG patří především stabilní dodávka energie bez kolísání napětí, skvělé mechanické vlastnosti a spolehlivost. Hlavní nevýhodou je nízká účinnost přeměny tepelné energie na elektrickou a aktuální nedostatek 238Pu v NASA, resp. v USA.

Radioizotopové zdroje tepla RHS (Radioisotope heat source) byly používány také na Zemi – v majácích na odlehlých místech. Asi tisíc takových zdrojů napájelo majáky na severozápadním ruském pobřeží až přes pobřeží Norska. Jako palivo byl využit izotop 90Sr s přeměnou β-, což ovšem způsobilo mnoho komplikací a zdroje byly organizovaně demontovány.

Tip: Přečtěte si anglický článek Radioisotope Thermoelectric Generators zaměřený na toto využití RTG

RHS-90 používaný v bezobslužných majácích. Zdroj: finské úřady, Wikimedia Commons
RHS-90 používaný v bezobslužných majácích. Zdroj: finské úřady, Wikimedia Commons

V kosmických misích se využívalo i dalšího izotopu a to 210Po. Tento radioizotop s poločasem přeměny asi 138 dní byl vhodný pro kratší mise. Sovětský svaz ho použil pro tzv. Lunochod na Měsíci a údajně také pro utajené špionážní družice. Dnes se již polonium nepoužívá.

Zvýší-li se v krátké době účinnost přeměny tepelné energie na elektrickou, můžeme se dočkat zajímavějších misí. Více energie ve vesmírném zařízení je takřka přímo úměrné práci, kterou může vykonat. Nezvyšovalo by se množství vyslaného plutonia, ale pouze účinnost přeměny.

Uvidíme, jestli k vyšší účinnosti pomůže již zmíněný Stirlingův motor, nebo kvalitnější termoelektrické články s využitím nanotechnologií.

Tip: Radioizotopovým termoelektrickým generátorům se věnuje také česká a především anglická Wikipedie

Nejčtenější