Malé jaderné reaktory mají reálnou šanci stát se klíčovou součástí dnešních snah o posunutí lidských hranic ve vesmíru. Nestálost je u elektrárny možná méně nepříjemná než u lidí, ale jsou okolnosti, kdy si na ni prostě nelze zvyknout. Například při cestě do míst, kde bez energie nepřežijete, a ceny za dopravu jsou přitom vydřidušské – jako třeba na Marsu. Na pohled se tedy zdá možná logické, že případnou cestu k „rudé planetě“ by měly pohánět obnovitelné zdroje. Fotovoltaické panely jsou lehký a ozkoušený zdroj energie. Bohužel, spolehnutí na ně tak úplně není. Mars má písečné bouře, den a noc, a to všechno jsou komplikace, se kterými si solární energetika neví rady. Ano, problém by vyřešily baterie, ovšem dopravit kilogram nákladu na Mars stojí dnes v nejlepším případě řádově miliony korun – a spíše ještě o řád více. Pokud to tedy skutečně v dohledné době bude lidstvo myslet s „dobýváním“ Sluneční soustavy vážně, bude muset sáhnout po něčem jiném. A tím náhradním řešením budou nejspíše jaderné reaktory. Částečně i proto, že se ve vesmíru již osvědčily – byť většina z nás to asi ani neví. Slabá generace Na oběžných drahách kolem Země se totiž v současné době pohybují zhruba tři desítky vysloužilých jaderných reaktorů. Ne, nemluvíme o radioizotopových zdrojích, jaké mají třeba sondy Voyager, ale skutečně o jaderných reaktorech, ve kterých probíhala štěpná reakce. Většina jaderných reaktorů na oběžné dráze nad námi tvoří zařízení, které bylo vyvinuto hluboko za studené války před více než půl stoletím. Jde o reaktory typu známého jako BES-5 (či „Buk“) na palubách sovětských špionážních družic. Dnes jsou reaktory odstaveny na tzv. parkovacích drahách zhruba necelých tisíc kilometrů nad povrchem, kde by měly zůstat ještě nejméně tisíce let – a v té době již jejich náklad nebude prakticky aktivní. Palivem pro jejich reaktory byl vysoce obohacený uran (90 % tvořil aktivní izotop 235U), kterého bylo zhruba od 30 do 45 kg. Při hmotnosti 900 kg reaktor vyráběl 100 kW tepelné energie. Elektřina se z tepla vyráběla velmi neúčinně: necelá 2 % tepla z reaktoru se mění na elektřinu. To je neuvěřitelně málo, když si uvědomíme, že na Zemi v reaktorech používáme turbíny, které mají účinnost kolem 40 %. Ovšem ve vesmíru je zapotřebí něco jednoduššího než turbína. První, co konstruktéři mohli reálně použít, byla přímá přeměna tepla na elektřinu pomocí termoelektrického jevu. Využívá se k tomu polovodičový okruh, jehož jedna část je v teple (u jádra reaktoru) a druhá v chladu. Čím větší je rozdíl v teplotách mezi oběma stranami, tím větší se vytváří napětí. V tomto případě teplo z reaktoru vyvádí tekutý sodík. Ohřívá jednu stranu obvodů, které se druhým koncem chladí ve vesmíru (samozřejmě s využitím poměrně velkého radiátoru, protože zbavit se přebytečného tepla ve vesmíru je problém). Elektrický výkon Buku byl tedy zhruba od 1,3 do 4 kW. Maximální délka provozu byla půl roku, v praxi to častěji bylo něco mezi čtyřmi až pěti měsíci – i z toho je patrné, že šlo o ryze vojenské zařízení, u kterého byly náklady a efektivita druhotné. Zlepš íme se! Vývoj se Bukem nezastavil. Tím nejpokročilejším typem, který SSSR do vesmíru skutečně dostal, byl v roce 1987 typ označovaný jako TOPAZ. Šlo o reaktor chlazený tekutým kovem (konkrétně slitinou sodíku a draslíku) s pracovní teplotou zhruba 610 °C (maximální teplota v aktivní zóně mohla být až třikrát vyšší). Vysoká teplota se využila při výrobě elektřiny pomocí tzv. termionické přeměny. Tento jev byl v roce 1893 objeven v Edisonových laboratořích. Velmi jednoduše řečeno znamená, že některé materiály při velmi vysokých teplotách uvolňují elektrony, což je také způsob, jak přímo z tepla vyrábět elektřinu. Účinnost je o něco vyšší než u termoelektrických článků, ale teploty musí být výrazně vyšší. Vyvinout materiály, které splní všechny nároky včetně odolnosti proti radiaci, není triviální a Sověti v tom ve své době velmi zajímavě pokročili. Díky zvýšení účinnosti výroby elektřiny na zhruba 5 % se snížila hmotnost celého reaktoru i paliva na palubě. TOPAZ s pouze 12 kg uranového paliva dodával 5–10 kW údajně až po dobu jednoho roku při celkové hmotnosti 320 kg. Existovala vylepšená varianta TOPAZ-II, kterou pohřbil kolaps SSSR. Šlo o větší zařízení s 27 kg paliva a hmotností kolem 1 t, které mělo zhruba stejné výkony (vyrábělo 135 kW tepla, 6 kW elektrických), ale mohlo energii dodávat asi tři roky. V 90. letech krátce žila naděje, že by mohlo letět ve spolupráci s cizinou, dokonce se několik zařízení na Západě intenzivně testovalo, údajně úspěšně. Konkrétní výsledek v podobě letu se ovšem nedostavil. Americká naděje? Vzhledem ke známým problémům Ruska a celkové relativní slabosti jeho ekonomiky asi není překvapení, že v zemi konstruktérů Sputniku jaderný kosmický program de facto skončil. I přesto, že ruská kosmická agentura Roskomos čas od času vyšle do světa zprávu, že se chystá pokračování vývoje jádra pro použití v kosmu, reálných nových výsledků jsme se od něj od 90. let nedočkali. To dlouho platilo i pro tradičního rivala Ruska v kosmickém výzkumu, Spojené státy. Američané vyslali do vesmíru pouze jeden jediný pokusný reaktor, který fungoval zhruba měsíc a půl. USA měly i program vývoje jaderných kosmických pohonů, který v 60. a částečně i 70. letech spolykal 100 milionů dolarů z veřejného rozpočtu, ale neměl žádný praktický výsledek. NASA tak měla s jadernou technologií špatné zkušenosti a nové projekty v tomto oboru neměly prakticky žádnou šanci na úspěch. „Měl jsem chuť odejít jinam, i když jsem tomuto oboru věnoval celý svůj život,“ vzpomínal na nedávnou minulost jaderný fyzik David Poston z laboratoří v Los Alamos. Právě jeho týmu se nakonec podařilo odpor NASA zlomit – a to především spořivostí. Poston a spol. si vybrali u kolegů z laboratoře a jiných pracovišť všechny „protislužby“, na které si vzpomněli, nadělali spoustu nových podobných „dluhů“ a díky tomu se jim s téměř zanedbatelnými náklady (řádově za miliony korun) podařilo sestavit experiment, ve kterém v roce 2012 ukázali hlavní součástky jaderného reaktoru nové generace. Na základě tohoto výsledku pak dostali již zajímavějších 25 milionů dolarů (tj. půl miliardy korun), postavili první americký reaktor pro využití ve vesmíru za posledních několik desetiletí a doslova vzkřísili z mrtvých americký jaderný kosmický program. Díky, mist ře Stirlingu Jejich zařízení nese název Kilopower. Tak jako starší sovětské kosmické reaktory je konstrukčně velmi jednoduché, ale v řadě důležitých ohledů u něho došlo k doslova revolučním vylepšením. Klíčovým rozdílem je výrazně vyšší účinnost při výrobě elektřiny, která se pohybuje o řád výše než v případě předchozích sovětských reaktorů: okolo 20 %. Hlavní roli v tom hraje nový systém přeměny tepla v elektřinu. Teplo z reaktoru vyvádí tepelná trubice, jež ho předává do systému na výrobu elektřiny, který nikdy předtím v reaktoru nebyl využit, do tzv. Stirlingova motoru. To je v podstatě velmi jednoduchý uzavřený motor, který si s okolím vyměňuje pouze teplo. Píst se v něm pohybuje díky změnám teploty plynu, který je pevně uzavřen v motoru. Stirlingův motor má různé podoby, ale můžete si ho představit jako pístový motor, který má „teplou“ a „studenou“ část. Rozdíly teplot způsobují změnu objemu plynu v motoru, to rozpohybuje píst, a tak se teplo mění na mechanický pohyb. Stirlingovy stroje se z různých důvodů nedočkaly takového rozšíření jako parní stroje, které vznikly zhruba ve stejné době. Ovšem na rozdíl od parních strojů zájem o jejich využití přetrvává dodnes. Teoreticky může být jejich účinnost poměrně vysoká, navíc se mohou využít i tam, kde se jiné motory s otevřeným cyklem využít nedají, například právě ve vesmíru. Nová generace Stirlingových motorů tedy nevznikala primárně pro Kilopower, ten – a samozřejmě také jiné kosmické jaderné reaktory – z tohoto pokroku ovšem může velmi výrazně profitovat. Přestože se v poslední době zdá, že první zkoušky proběhnou s vysoce obohaceným palivem, původní návrhy počítaly s nízko i vysoce obohaceným palivem (samozřejmě reaktor musí být konstruován v každém případě trochu jinak, ale oba návrhy jsou připraveny). Využití nízko obohaceného paliva zvýší hmotnost, na druhou stranu například s takovým palivem mohou nakládat i běžné komerční subjekty a nepodléhá stejné kontrole jako „zbraňový“ uran, který využívá verze s obohaceným palivem. Reaktor má snadno regulovatelný výkon, je pasivně bezpečný (tedy měl by se chladit bez potřeby dodávek energie) a jeho výkon se „přirozeně“ reguluje podle odběru. Reaktory je možné stavět v různých velikostech, ve hře jsou varianty s výkonem od 1 do 10 kW. V reálném provozu by měl dodávat stálý výkon více než 10 let, prakticky bez ohledu na okolní podmínky. Největší problém pro něj představuje asi zvýšená teplota. Systém se musí zbavovat přebytečného tepla, což se děje s pomocí radiátoru, který na přímém slunečním záření samozřejmě funguje hůře než ve stínu. V oblastech blízko Slunce je takový systém nepraktický, v extrémních případech by mohl být zcela nepoužitelný. Hodí se vš ude Zatím není zcela jasné, kdy se Kilopower do vesmíru dostane; favoritem je zřejmě zkušební mise na palubě měsíčního vozítka. Autoři z toho podle vlastních slov nejsou zcela nadšeni, raději by reaktor viděli jako součást trvalejší základny či nějaké mise do vzdálených částí naší soustavy. Ale pokud se mise povede, je takové využití asi jen otázkou času. Můžeme si ho představit jako pohon mise k průzkumu Saturnu a jeho měsíců či k tělesům vzdáleného Kuiperova pásu, při kterých by reaktor nejspíše poháněl nejen elektroniku, ale i elektrické (např. iontové) motory sondy. Nebo na základně (byť třeba automatizované) v polárních kráterech Měsíce, kde by měly být zajímavé zásoby vodního ledu. Nu, a pak je tu ten již zmíněný Mars. Ve vesmíru se pro „jádro“ najde využití více než dost. Jeho dosavadní „tajná“ historie je jen krátký prolog.
