3 sondy a konec, aneb americké zásoby plutonia-238 jsou na dně

Zdálo by se, že jsme na vrcholku rozkvětu průzkumu sluneční soustavy. Od Merkuru až po Pluto (téměř) se nachází sondy, které nás zásobují neuvěřitelným množstvím vědeckých dat utvářejících naše poznání vzniku a vývoje sluneční soustavy. A zatímco se rádi necháváme unášet představami, jak budeme v tomto výzkumu pokračovat za pomocí stále sofistikovanějších sond, vozítek, či dokonce ponorek, jen málokdo si uvědomuje, že přední tahoun výzkumu, americká NASA, stojí před obrovským úskalím. Zatímco planetárním sondám určeným pro průzkum vnitřní části sluneční soustavy postačuje jako zdroj sluneční energie, v dálavách soustavy je tento zdroj nepoužitelný. Sondy pro průzkum těchto končin (ale i některých vozítek operující na povrchu těles, např. Marsu) musí využívat jiný zdroj energie než sluneční panely, a to konkrétně speciální palivové články fungující díky rozpadu některého z radioaktivních prvků. Americká NASA pro své sondy využívá palivové články získávající energii rozpadem plutonia-238. A zde je právě zásadní problém. Zásoby plutonia-238 jsou téměř na nule. NASA zbývá dostatečné množství k výrobě palivových článků pro další tři sondy a co bude dále? Na to není lehká odpověď. 

Plutonium-238 je pozůstatek studené války, během které se USA a Sovětský svaz vzájemně zastrašovaly obrovským množstvím jaderných zbraní. Při výrobě štěpného materiálu pro jaderné hlavice vznikalo plutonium-238 jako vedlejší produkt, který se pro vojenské využití nehodil. S postupem času se ale svět pokusil jaderné šílenství zastavit a omezit množství jaderných zbraní. Výsledkem snahy bylo následně i omezení produkce materiálu na jejich výrobu a tedy i omezení produkce plutonia-238. A zde nastává začátek současného problému. Plutonium-238 totiž vznikalo ve velice malém množství, představovalo pouze 1 až 2 hmotnostní procenta získaného radioaktivního materiálu. Za desetiletí se ho tak povedlo vyrobit jen desítky kilogramů. Ke všemu má tento izotop velice krátký poločas rozpadu (88 let), takže získaný materiál se poměrně rychle znehodnocuje a tedy se dlouhodobě špatně skladuje. Na druhou stranu to, co se nehodilo zbrojařům, se velice zalíbilo vědcům. Plutonium-238 totiž představuje ideální materiál k výrobě napájecího zařízení. Není proto divu, že po něm sáhla i americká NASA, která ho začala využívat pro své planetární mise – vozítko Curiosity či sonda Cassini by nikdy nedosáhly takového úspěchu, nebýt tohoto zdroje.

Peleta plutonia-238. Zdroj: U.S. Department of Energy, volné dílo.

Můžeme s tímto zdrojem počítat i do budoucnosti? Jak na tom dnes vlastně je americká NASA s jeho zásobami? Teoreticky dnes NASA může počítat s 35 kilogramy plutonia-238, nicméně z tohoto množství je pouze 17 kilogramů v dostatečné kvalitě, aby se mohlo použít k napájení sond. Zbylých 18 kilogramů se dá sice zachránit, ale je k tomu potřeba nová dávka čerstvého plutonia-238 k jeho „oživení“. V průměru je potřeba pro jednu sondu 4 kilogramy materiálu na výrobu palivového článku. Například sondě Curiosity operující na povrchu Marsu poskytuje toto množství 110 wattů elektrické energie (ještě pro úplnost dodejme, že samotný palivový článek přeměňuje emitované teplo vznikající přirozeným rozpadem plutonia-238 na elektrickou energii, nedochází tedy v něm k řízené reakci).

NASA plánuje na Mars vyslat v roce 2020 další vozítko (pracovně zatím označeno jako Mars 2020), které bude v podstatě klonem sesterské Curiosity. Na jeho zásobování bude tedy potřeba další 4 kilogramy plutonia-238. NASA pak zůstane 13 kilogramů kvalitního materiálu. NASA zatím nerozhodla, jaké další průzkumné mise tento druh energetického zdroje obdrží, ale s ohledem na ambice prozkoumávat měsíce Jupiteru či Saturnu je jisté, že zbývající dva palivové články své uplatnění brzy najdou (rozhodnutí se dozvíme nejspíše v roce 2016). Nicméně pro inženýry připravující návrhy sond to představuje značný problém. Jak mají navrhovat sondy bez toho, aniž by věděli, jestli pro ně budou mít po roce 2021 v NASA dostupný zdroj energie? Co tedy s tím?

Palivový článek využívaný Curiosity (velký předmět v zadní části sondy). Zdroj NASA, volné dílo.

Od 90. let 20. století až do roku 2008 využívala NASA k získávání plutonia-238 ruskou státní společnost Rosatom, od které tento materiál nakupovala. Nicméně dodávky ustaly, když se v roce 2009 nepovedlo dohodnout pokračování kontraktu (nicméně pro úplnost dodejme, že ani Rusko již plutonium-238 nevyrábí, není tedy ani jisté, jestli by ho mělo dostatečné množství k dalšímu zásobování amerického odběratele). NASA získala od Ruska celkem 16,5 kilogramů plutonia-238, což jí pomohlo pokrýt potřeby pro několik sond. Nicméně s výpadkem ruského dodavatele se opět objevil problém, kde získat další palivo. Chvíli se tak zdálo, že NASA bude čelit obrovského problému. Po velkém mediálním tlaku na americký Kongres vědeckou obcí a NASA se naštěstí podařilo docílit toho, že Kongres odsouhlasil dodatečné finanční prostředky na obnovení výroby plutonia-238 na území USA. Opět se tak rozeběhne proces obohacování neptunia-237, izotopu, ze kterého se plutonium-238 získává. Na americkou půdu se tak navrátí výrobní proces, který byl v roce 1988 zastaven. V současnosti NASA financuje opravy potřebné infrastruktury pro obnovení produkce v oblasti Los Alamos. Až bude závod běžet naplno, bude dodávat 1,5 kilogramu plutonia-238 ročně. Plné rozběhnutí výroby bude ale trvat roky, nicméně spuštění má smysl už i nyní. I menší množství materiálu bude totiž pro NASA nesmírně důležité. Nově získané plutonium-238 bude možné totiž použít pro „oživení“ staršího skladovaného materiálu. Tím by se mohla použitelná zásoba izotopu v držení NASA zvýšit a do vesmíru by se mohly podívat další sondy, které budou tento zdroj využívat.

Nicméně, máme důvod k radosti? Pokud linka pojede na plno, budeme mít každé tři roky dostatečné množství materiálu k výrobě palivových článků pro jednu sondu o výkonu Curiosity. Chtělo by se říci, že to bude zcela dostačující. Nicméně si musíme uvědomit, že velikost sond a složitost vědeckého vybavení neustále roste. A s ním roste i množství elektrické energie, které zařízení vyžaduje na svůj provoz. Co tedy s tím? Máme tedy dvě možnosti – buď zvyšovat produkci plutonia-238 a stavět větší palivové články a nebo najít efektivnější řešení jeho využití. Jedním z možných konceptů, jak vyšší efektivity dosáhnout, byl návrh na nový radioizotopový zdroj (tzv. Advanced Stirling Radioisotope Generator), který by oproti současným palivovým článkům potřeboval pouze čtvrtinu množství plutonia-238. A to ke všemu při produkci 140 wattů elektrické energie. Nicméně tento projekt byl v roce 2013 pozastaven a zatím se nezdá, že by byl oživen… Není tedy zatím moc jasné, jak budeme v relativně blízké budoucnosti další sondy napájet.

Až tedy budete příště číst o smělém návrhu na vyslání ponorky na nějaký měsíc s oceánem, začněte přemýšlet o tom, kde inženýři pro robota chtějí získat energii. Snadno se totiž může stát, že nebude dostupné žádné palivo pro napájení jejich zdroje. Bylo by smutné, kdyby toto byl důvod, proč v budoucnosti uvidíme jen několik málo sond do vnější části sluneční soustavy… Jak ukazují sondy Curiosity, Cassini, či New Horizons, bez plutonia-238 se v současnosti obejít neumíme…

2 Komentářů

  1. Richard Molek

    Dobrý den,

    Autor pořadu Dobývání vesmíru mi k tomuto tématu na FB napsal toto :

    Dobývání vesmíru: Evropská kosmická agentura uvažuje o tom, že by se také pustila do radioizotopových termoelektrických zdrojů energie. zajímavé ale je, že by neměla sázet ne nedostatková plutonium 238, ale na americium 241. Ale je to běh na několik let.

    Richard Molek

  2. Racek

    Že by rusové neměli nějaké zásoby? Kdysi jsem něco zaslechl o jejich nabídce, ale nevzpomenu si kde, bohužel.

Napsat komentář