Jaderná elektrárna na Měsíci

Když se řekne jaderný materiál, mnoha z nás se vybaví nebezpečné záření, jaderné zbraně a kontejnery s odstrašujícími značkami, ke kterým není radno se přibližovat. Jaderné materiály i přes veškerá ne vždy mírová využití jsou pro lidstvo bezesporu velkým přínosem. Uplatňují se v lékařství, vědě a technice, bez jaderných elektráren bychom si jen těžko představili naši energetickou budoucnost. Ne každý ale asi ví, že právě výroba energie využívající jaderný materiál si našla svou cestu i do kosmonautiky – malé radioaktivní tělísko zajišťuje provoz mnoha meziplanetárních sond, které doputovaly do vzdálených končin Sluneční soustavy. Tam by jim solární panely nebyly nic platné.

Malé množství jaderného materiálu s sebou vozili i američtí astronauté při svých poutích na Měsíc, kde tento efektivní zdroj energie zanechali aby zajišťoval provoz instalovaných vědeckých přístrojů.

Kde vzít na Měsíci energii
Na Měsíci přistálo v letech 1969-1972 celkem šest „výsadkových člunů“ lodí Apollo, jejichž dvoučlenné posádky (třetí člen zůstal v mateřské lodi na oběžné dráze Měsíce) na povrchu Měsíce prováděly nejrůznější výzkumy, sbíraly vzorky hornin a také zde nainstalovaly veliké množství vědeckých přístrojů, tak aby mohly výzkumné aktivity pokračovat i po odletu astronautů. Otázka zněla kde vzít pro tyto přístroje energii? Solární panely v tomto případě nepřicházely v úvahu, protože Měsíc prochází fázemi a různá místa na jeho povrchu kvůli nim bývají i po několik týdnů v naprostém stínu. Zvolena byla velmi jednoduchá a přitom efektivní metoda: jaderný materiál.

Nukleární energie ve službách kosmonautiky
Vůbec poprvé NASA využila nukleární energii při vývoji satelitu Nimbus 3, který byl vypuštěn v dubnu 1969. Elektřinu mu kromě solárních článků dodávala i jaderná baterie, i když trochu jiného typu, než jaký byl později použit na Měsíci. Američané zde zanechali celkem pět jaderných baterií SNAP-27 (System for Nuclear Auxiliary Power; systém pro přídavnou nukleární energii), které poskytovaly elektřinu souboru vědeckých přístrojů ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiment Package; soubor experimentů Apollo, určených k instalaci na povrchu Měsíce). Jediná výprava, která s sebou SNAP-27 neměla, bylo Apollo 11. Všechny další expedice již byly touto baterií vybaveny. Hlavní komponentou SNAPu byl válcový generátor, do kterého museli astronauti při instalaci přístrojů na povrchu Měsíce zasunout plutoniovou kapsli. Generátor měl tvar válce o výšce 46 cm a průměru 40 cm, byl vyrobený z velmi lehkého beryllia a prázdný vážil 13 kg. Kapsle do něj určená byla vyrobená ze speciální slitiny a vážila 7 kg, z čehož asi 3,8 kg představovalo samotné plutonium 238, plně zoxidované a chemicky i biologicky nečinné.

Plutonium 238 je izotop. Izotopy daného prvku mají ve svém atomovém jádře stejný počet protonů, ale rozdílný počet neutronů a tedy rozdílnou atomovou hmotnost. Fyzikální vlastnosti izotopů jsou mírně odlišné, některé izotopy nejsou stabilní a podléhají radioaktivnímu rozpadu, což je případ plutonia 238.

Kapsle plná energie
Samozřejmě astronauté během cesty na Měsíc neměli plutonium s sebou v kabině lodi, ale bylo ve speciálním grafitovém ochranném obalu připevněno zvenčí na přistávacím stupni lunárního modulu. Astronauté museli po přistání na Měsíci kapsli plutonia vyjmout z pouzdra a vložit ji do generátoru systému SNAP-27. Astronaut Alan Bean, který se v listopadu 1969 prošel po Měsíci v rámci mise Apollo 12, později o tomto úkonu napsal: „Soubor čtyř přístrojů (ALSEP) by nás na Zemi důkladně propotil, tady však měl jen jednu šestinu své váhy. Zato jsem nemohl uchytit plutoniový palivový článek a vyjmout ho z grafitového pouzdra, umístěného na boku Intrepidu (lunární modul Apolla 12). Kleště se stále vysmekávaly a než se mi přenesení topného elementu podařilo, měl jsem srdce až v hrdle.“

Elektřina z tepla i po 90 letech
Když je plutoniový článek úspěšně vložen v generátoru, výroba elektřiny může začít. Uvnitř kapsle ze slitiny probíhá samovolná přeměna izotopu plutonia, což vytváří teplo uvnitř generátoru. Jeho zařízení – celkem 442 olovo-telluridových termoelektrických elementů – převádí toto teplo (asi 1480 wattů) přímo na elektrickou energii o hodnotě nejméně 63 wattů. Plutonium 238 má unikátní vlastnosti, které ho činí velmi výhodným pro využití v kosmických nukleárních reaktorech. Po uplynutí 90 let plutonium dodává stále asi polovinu původního množství tepla. Při rozpadu uvolňuje hlavně jádra helia (tzv. alfa záření), což je typ záření s nízkou pronikavostí. SNAP-27 vyráběla a dodávala Atomic Energy Commission (komise pro jadernou energii) v rámci jejího programu SNAP..

S radioaktivními materiály vždy opatrně
Na prvním místě při manipulaci s plutoniem na Měsíci byla pochopitelně bezpečnost. Tu zajišťovalo především pouzdro, ve kterém byla kapsle připevněna k exteriéru lunárního modulu titanovou konstrukcí. Pouzdro tvořil vnější grafitový kryt, pod ním byl kryt z beryllia. Uvnitř je držák z titanu, do kterého byla kapsle s plutoniem usazena. S tímto pouzdrem obsahujícím plutoniový článek byl lunární modul vložen do nejvyššího stupně nosné rakety již při její montáži na mysu Canaveral a radioaktivní element muselo pouzdro ochránit až do samotného přistání na Měsíci. Samozřejmě se muselo počítat i s tím, že bude přistání na Měsíci z nějakého důvodu odvoláno a loď se i s nákladem plutonia vrátí zpět k Zemi. Nouzové scénáře počítaly s tím, že pokud by loď Apollo po cestě k Měsíci postihly vážné problémy, obletěla by jednou Měsíc a vrátila by se k Zemi. Lunární modul s pouzdrem, obsahujícím plutonium, by byl odhozen a shořel by v zemské atmosféře, protože nebyl konstruován pro možnost přistání na Zemi.

Příklad Apolla 13
Nebylo však možné dopustit, aby žár vstupu do atmosféry postihnul i plutonium. Proto bylo jeho ochranné pouzdro projektováno tak, aby případný vstup do atmosféry druhou kosmickou rychlostí „přežilo“. Pamětníci si vzpomenou, že to se přece jednou stalo – v případě Apolla 13. Jeho posádka letěla také k Měsíci s několika kilogramy plutonia, ale přistání bylo odvoláno z důvodu exploze kyslíkové nádrže. Přesně podle uvedeného nouzového scénáře shořel jejich lunární modul Vodnář v zemské atmosféře. Ochranné pouzdro plutoniového článku tehdy přežilo průlet atmosférou a díky korekci dráhy přistálo v Tichém oceánu na dně příkopu Tonga, asi 6500 metrů pod hladinou. Žádný únik plutonia tehdy nebyl zaznamenán. Pouzdro, schopné odolat korozi, by mělo plutonium izolovat od okolního prostředí po dobu asi 870 let.

Oficiální tiskový briefing k misi Apollo 12 (1969), která jako první použila SNAP-27 (anglicky): http://www.hq.nasa.gov/alsj/frame.html

Článek o systémech SNAP na wikipedii (anglicky):
http://en.wikipedia.org/wiki/Systems_for_Nuclear_Auxiliary_Power

Údaje o systému SNAP-27 na stránkách National Air and Space Museum (anglicky): http://www.nasm.si.edu/exhibitions/attm/la.s27.1.html

Databáze snímků NASA:
http://www.nasaimages.org

Článek o izotopech na wikipedii:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Izotop

O plutoniových generátorech pro kosmické použití jsme již psali v článku:
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/600-bude-teplo-bude-mars

O dalším použití jaderných energetických zdrojů v:
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-energetika/566-jaderna-energetika-ve-vesmiru-elektrina-pro-sondy-kosmicke-lode-a-zakladny-na-planetach