Chemická elektrárna na palubách raketoplánů

Raketoplány jsou velmi výjimečná kosmická plavidla. Připomínají spíše letadla, jsou mnohonásobně použitelné, pojmou posádku a velký náklad, mohou v kosmu vykonávat celou škálu nejrůznějších činností od vědeckých misí přes dopravu a vypouštění objemných nákladů až po opravy různých zařízení (např. Hubbleova teleskopu). Jejich výjimečnost je také ve způsobu, jakým při pobytu ve vesmíru získávají elektrickou energii.

Dnešní kosmická plavidla pohybující se v okolí Země jsou většinou vybavena solárními panely, které obstarávají elektřinu ze slunečních paprsků. Množstvím velikých slunečních panelů se pyšní např. Mezinárodní kosmická stanice, elektřinou ze Slunce jsou zásobovány také ruské kosmické lodě Sojuz, nákladní lodě, mířící ke kosmické stanici, a velká většina kosmických sond. Raketoplány ale žádné solární panely nemají, protože jsou konstrukčně řešeny úplně jinak. Šlapání na rotopedech nepostačí, a proto vědci vymysleli tzv. palivové články; ty vyrábějí elektrický proud chemickou cestou.

Baterky pod podlahou
Americký raketoplán můžeme schematicky rozdělit na tři části: na kokpit s několika palubami pro pobyt posádky, nákladový prostor, ke kterému ze stran přiléhají křídla letounu a zadní pohonnou sekci s motory a ocasem letounu. Celá spodní plocha raketoplánu je dokonale hladká a pokrytá keramickými destičkami tepelného štítu. A právě v podpalubí, v dutině mezi „dnem“ nákladového prostoru a spodní plochou raketoplánu s tepelným štítem, jsou umístěné energetické články, které získávají elektřinu chemickou reakcí kapalného kyslíku a vodíku. Vedlejším produktem je pitná voda, kterou posádka raketoplánu jistě také ocení.

Elektrárna na palubě
„Elektrárna“ raketoplánu se skládá z celkem tří částí: z nádrží PRSD (Power Reactant Storage and Distribution; systém pro skladování a distribuci elektrických reaktantů), které obsahují tekutý, silně podchlazený a stlačený kyslík a vodík, dále ze samotných palivových článků FCPP (Fuel Cell Power Plants; palivové články pro výrobu elektřiny), ve kterých probíhá požadovaná chemická reakce a z rozvodného systému EPDC (Electrical Power Distribution and Control; systém pro řízení distribuce elektrické energie), který převádí stejnosměrný proud na střídavý a rozvádí ho do jednotlivých komponent raketoplánu.

Nádrže
Nádrže PRSD jsou seskupeny v sadách, každá obsahuje jednu vodíkovou a jednu kyslíkovou nádrž. Počet kulovitých nádrží není pevně daný a záleží na potřebách každé konkrétní mise. Maximální počet, který podpalubí nákladového prostoru pojme, je pět sad nádrží, tedy celkem deset. Nádrž na kyslík má průměr 92 cm, prázdná váží 90 kg a pojme až 350 kg kapalného kyslíku. Vodíková nádrž má v průměru 114 cm, prázdná váží 97 kg a může nést 41 kg vodíku. Vnější obaly nádrží se vyrábějí z hliníku. Aby zůstaly látky tekuté, musí se nacházet v prostředí s velmi vysokým tlakem a velmi nízkou teplotou – v kyslíkových nádržích je třeba udržovat teplotu -141 °C, ve vodíkových dokonce až -216 °C. Nádrže jsou plněny asi dva dny před startem. Vnitřní prostor nádrží je udržován v superchladných teplotách minimalizováním tepelné výměny s okolím. Z tohoto důvodu se mezi vlastní nádrží a jejím krytem udržuje vakuum.

Články
Část kyslíku z nádrží se použije do atmosféry kokpitu raketoplánu, zbylý kyslík společně s vodíkem putují lehce předehřáté do palivových článků FCPP. Články se skládají ze dvou částí: ze sekce, ve které probíhá vlastní chemická reakce vodíku a kyslíku, při které vzniká elektrický proud, a z přiléhajících senzorů, jež monitorují probíhající reakce.

Palivový článek je v podstatě galvanický článek, k jehož anodě přivádíme palivo a ke katodě okysličovadlo. Okysličovadlo se na katodě redukuje na anionty O2- a ty posléze reagují s ionty H+ . Jako vedlejší produkt výroby elektrického proudu vzniká voda.

Palivové články mohou teoreticky pracovat nepřetržitě do okamžiku, kdy přerušíme přívod paliva a okysličovadla. Nicméně palivové články kosmických raketoplánů mají životnost 5000 pracovních hodin, což představuje asi 16 misí. V současné době služebně nejstarší raketoplán Discovery má za sebou již 38 letů, takže palivové články mu byly vyměněny minimálně jednou. Každý raketoplán se jednou za několik let musí podrobit rozsáhlé inspekci a modernizaci.

Vedlejšími produkty elektrolýzy v palivových článcích je pitná voda, která se soustřeďuje v nádrži a později slouží posádce ke konzumaci nebo hygieně. Druhým, nežádoucím, vedlejším produktem je teplo, kterého je potřeba se zbavit. Vede se proto do výměníků tepla palivových článků a poté jej „pohltí“ jedna ze dvou chladicích smyček raketoplánu, využívající kolující freon. Přebytečné teplo se uvolňuje do vesmíru.

31 sekund před startem na vlastní baterky
Raketoplán je přepnut na vlastní zdroje, energii nevyjímaje, 31 vteřin před samotným startem. Do té doby je zásobován pozemními energetickými systémy kosmodromu. Mimochodem, start je možné zrušit ještě 1,6 sekundy před vzletem v době, kdy už běží hlavní motory.

Palivové články zásobují jak nosné rakety a externí nádrž, tak veškeré systémy raketoplánu a jeho náklad po celou dobu mise až do přistání a postupného vypínání systémů zpět na Zemi.

Z palivových článků se energie vede do sběrnic, kde se část převádí ze stejnosměrného na střídavý proud a pak se rozvádí do potřebných komponent raketoplánu. Výsledný proud má hodnoty od 14 do 28 kilowattů a napětí 28 voltů.

Dopad chemické výroby energie na mise raketoplánů
Dobu, kterou může raketoplán strávit ve vesmíru, samozřejmě přísně limituje množství vodíku a kyslíku v nádržích PRSD; to určuje kolik elektřiny ještě mohou systémy raketoplánu dostat. Fungování raketoplánu bez elektřiny je nemyslitelné, stejně tak porucha byť jen jediné ze tří baterií vyžaduje co nejrychlejší ukončení mise a přistání raketoplánu.

Při misi STS-118 raketoplánu Endeavour v roce 2007 si úspěšně odbyl svou premiéru systém SSPTS (Station-to-Shuttle Power Transfer System; systém pro vedení elektřiny ze stanice do raketoplánu), který umožňuje raketoplánům strávit až 12 dní na Mezinárodní kosmické stanici. To je víc času, než dovolují palivové články. Systém se skládá z několika transformátorů, které vedou elektřinu, produkovanou staničními solárními panely, do raketoplánu a mění její hodnoty pro potřeby kosmického letounu. Tento systém umožňuje jeho palivovým článkům pracovat v omezeném režimu a posádce dává více času na plnění mnohdy nelehkých úkolů na stanici ISS.

Meze možností
Množství kyslíku a vodíku pro palivové články je asi hlavním faktorem při rozhodování, jak ještě dlouho může raketoplán zůstat ve vesmíru (uvážíme-li například špatné počasí v místě přistání).

V tak riskantním „podnikání“, jakým lety do vesmíru bezesporu jsou, se často můžeme setkat i s nejrůznějšími katastrofickými scénáři - naštěstí se jich drtivá většina odehrává jen v počítačových simulacích. Některé se ale bohužel staly skutečností a zanechaly za sebou spoustu otázek. Například spekulace, zda bylo možné na oběžné dráze zachránit posádku raketoplánu Columbia při jeho poslední nešťastné misi v lednu 2003 (tepelný štít letounu byl při startu poškozen a při návratu nevydržel extrémní teploty při vstupu do atmosféry). Vyskytly se názory, že NASA mohla pro astronauty poslat záchranný raketoplán. To by však nebylo tak jednoduché – raketoplán, posádka a postup takové mise se nestihne připravit za odpoledne a i kdyby se maximálně spěchalo, záchranný letoun by ke Columbii nedorazil před okamžikem, kdy by posádce poškozeného raketoplánu i při největším šetření došly zásoby především kyslíku a látek pro výrobu elektrické energie.

Údaje o palivových článcích raketoplánů na webu NASA (anglicky)
http://spaceflight.nasa.gov/shuttle/reference/shutref/orbiter/eps/

Oficiální tiskový briefing k misi raketoplánu Endeavour STS-118, který jako první použil systém SSPTS (anglicky):
http://www.nasa.gov/pdf/182728main_STS-118_Press_Kit.pdf

Kniha Den, kdy se nevrátila Columbia, Tomáš Přibyl, JUNIOR 2003
Palivové články (obecně) na wikipedii:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Palivový_článek

Databáze snímků NASA (anglicky):
http://www.nasaimages.org