Role plutonia při výzkumu vesmíru

Po více než 18 miliardách kilometrů od domova opustila sonda Voyager-1 sluneční soustavu. Pokud její přístroje budou fungovat, vstoupí do mezihvězdného prostoru. Dlouhou životnost sondy, která putuje vesmírem již 35 let, umožnil izotop plutonia 238. Jaderný rozpad při štěpení jader uvolňuje teplo, které se přeměňuje na elektřinu potřebnou pro přístroje sondy. Odborníci se domnívají, že Voyager-1 bude zasílat údaje ještě dalších deset let.

Klíčovou úlohu při kosmických misích daleko za sluneční soustavu, tedy tam, kde se nedají použít sluneční panely, hraje izotop ²³⁸Pu už od 60. let minulého století. Na tomto izotopu byly závislé sondy Galileo, Pioneer, Voyager a Cassini. Navzdory jejich úspěchům se zdá, že tento druh kosmických misí se stane minulostí, protože produkce ²³⁸Pu byla zastavena již před několika desetiletími a jeho zásoby u kosmických agentur se rychle snižují. Bez dodávek čerstvého ²³⁸Pu bude průzkum kosmu za sluneční soustavou patrně ukončen. Problém spočívá v tom, že ²³⁸Pu nelze snadno a lacino vyrobit, a že obnovení jeho produkce přijde cca na 100 milionů dolarů a bude trvat několik let. Ačkoliv NASA a americké ministerstvo energetiky (US DOE) s obnovením výroby souhlasí, Kongres odmítá poskytnout potřebné prostředky. Na pořadu dne je ale jiné řešení.

Vyřeší to soukromý průmysl?

V březnu 2012 proběhlo zasedání NASA, na němž fyzici z Center for Space Nuclear Research (CSNR) v Idaho Falls navrhli radikální řešení, které by uspokojilo všechny zúčastněné strany. Řešení má být rychlejší, čistší, levnější a nabídne provoz na komerční bázi, což vyhoví nejen potřebám NASA, ale přinese i zisk. Převedení výroby ²³⁸Pu do komerční sféry by z hlediska veřejných výdajů bylo snadnější. Kritici ale namítají, že by mohly vzniknout bezpečnostní problémy. Plutonium je jednou z nejjedovatějších látek na světě, je silným zdrojem alfa částic a je nebezpečné při vdechování. Domnívají se proto, že by „technologii studené války“ měla nahradit technologie nová. Izotop ²³⁸Pu produkuje teplo emitováním alfa částic. Poločas jeho rozpadu je 97 let, takže se jedná o pomalý rozpad. Každý gram ²³⁸Pu v radioizotopovém termoelektrickém generátoru produkuje přibližně 0,5 W. NASA každoročně používá pro své výzkumy v průměru několik kilogramů ²³⁸Pu.

Izotop pro jaderné bomby

Izotop plutonia 238 ani jeho bratranec – štěpitelný izotop ²³⁹Pu – se v přírodě nevyskytují. Vznikl v produkčních reaktorech vyrábějících jaderný materiál pro jaderné bomby. Jeho produkce byla ukončena v roce 1988. Až do roku 2009 USA kupovaly ²³⁸Pu v Rusku, ale i tam jeho zásoby ubývají. Podle zprávy z roku 2009 má NASA k dispozici asi 5 kg izotopu, což vystačí do konce současného desetiletí. Pokud US DOE obdrží povolení, mohly by být do roku 2018 k dispozici ročně 2 kg ²³⁸Pu, což by obnovilo zásoby NASA. Není ale pravděpodobné, že k tomu budou potřebné finanční zdroje. NASA proto počítá s tím, že by se sama podílela na financování obnovené linky na výrobu ²³⁸Pu a přislíbila 14 milionů dolarů na vypracování studií a zahájení prací, pravděpodobně v Oak Ridge National Laboratory v Tennessee. Celkové náklady se mají vyšplhat na 150 milionů dolarů.

Možné metody výroby ²³⁸Pu
Konvenční výroba ²³⁸Pu zahrnuje dávkový způsob výroby, kdy se do reaktoru vkládají jednotlivé dávky ²³⁷Np, které jsou ozařovány neutrony po dobu až jednoho roku. Poté se vzorek čistí a ²³⁸Pu se odděluje od jiných štěpných produktů.

Na zasedání NASA v březnu 2012 navrhl Steven Howe z CSNR jinou, jednodušší a lacinější metodu získání ²³⁸Pu. Jedná se o cívkou opatřené potrubí, které by vedlo okolo aktivní zóny reaktoru. Potrubím by se kontinuálně pohybovaly malé kapsle obsahující několik gramů ²³⁷Np, které by v reaktoru setrvaly jen několik dní. Po průchodu potrubím se vzniklé ²³⁸Pu odebere a zbývající ²³⁷Np se opět vloží do kapsle pro další cyklus. Při každém průchodu se asi 0,01 % ²³⁷Np přemění na ²³⁸Pu, takže k získání 1 kg ²³⁸Pu je třeba cyklus tisíckrát opakovat.

Tento způsob výroby má některé výhody, včetně kratší doby ozařování a vzniku menšího množství štěpných produktů. To usnadňuje následné chemické separační procesy a snižuje množství radioaktivních odpadů. Navíc lze využít i menší reaktory než jen velké v národních laboratořích. Tým pracovníků CSNR pracující na této koncepci již získal 100 000 dolarů k ověření technologie a předložil návrh na vybudování prototypové linky. Howe se domnívá, že všechno by se dalo zvládnout za 3 roky za 50 milionů dolarů. Každý rok by bylo možno získat 1,5 kg ²³⁸Pu. V případě, že by 1 kg ²³⁸Pu stál 6 milionů dolarů, což je méně než požaduje Rusko, byl by tento proces ekonomicky výhodný i pro privátní podnikání. Vedle komerčních letů do vesmíru by se i produkce ²³⁸Pu mohla stát předmětem soukromého podnikání.

Jaké jsou námitky a alternativy?

Obnovení výroby ²³⁸Pu však nemá jen své příznivce. Tento izotop je vysoce toxický a existují obavy z havárie při startu rakety. V roce 1964 došlo k poruše navigačního satelitu amerického námořnictva a k rozptýlení 1 kg ²³⁸Pu do atmosféry planety. Proto byly kontejnery obsahující ²³⁸Pu zdokonaleny. Samotné ²³⁸Pu není vhodné k výrobě jaderných zbraní, ale ²³⁷Np ano. Z toho důvodu by se nový výzkum měl zaměřovat na využití sluneční energie i pro lety ke vzdáleným planetám.

Juno na „dálkové Slunce“

Prvním příkladem možnosti využití sluneční energie i ke vzdáleným planetám je sonda Juno, kterou v srpnu 2011 NASA vyslala k Jupiteru. Sonda využívá 3 deset metrů dlouhé sluneční panely k dodávce energie potřebné pro provoz. Podle vyjádření NASA z roku 2007 nelze však vyloučit ani sluncem poháněné sondy vysílané dále než je Jupiter. K tomu jsou ovšem zapotřebí nové sluneční články, které se musí vypořádat s extrémními kosmickými podmínkami. Pokud se podaří i dále snižovat váhu a náklady u slunečních článků a pokud se podaří snížit i potřebný příkon sond na méně než 300 W, pak by sonda využívající sluneční články o ploše 250 m² mohla doletět až k Uranu. K ²³⁸Pu i sluneční energii však existuje ještě jiná alternativa.

Kombinace lithiového paliva a CO₂ z atmosféry Venuše
Michael Paul z Laboratoře aplikovaného výzkumu Pennsylvánské státní univerzity navrhuje použít kombinaci lithiového paliva a CO₂ z atmosféry Venuše. Jejich spálením vznikne tepelná energie pro Stirlingův motor, což je zařízení využívající teplotní rozdíly k pohonu pístu propojeného s generátorem. Tento systém by byl provozován na vysoké energetické hladině a mohl by být upraven pro práci na Titanu, Marsu, případně na trvale odvrácené straně jižního pólu Měsíce. Paul věří, že po dalším vývoji by bylo možné technologii uplatnit již do roku 2020. Současně ale přiznává, že by takové sondy pracovaly jen po zlomek doby ve srovnání se sondami vybavenými plutoniovým zdrojem energie.

Vývoj alternativních technologií k ²³⁸Pu směrem k lehčím a efektivnějším slunečním článkům nebo účinnějším Stirlingovým motorům by jistě znamenal i přínosy pro využití na Zemi. Inženýři již dnes zkoumají způsoby přeměny práškového kovu na palivo pro motory kosmických zařízení. Nová technologie by současně mohla pomoci rozšířit i podmořské výzkumy na Zemi. Teprve budoucnost ukáže, zda pan Howe uspěje při své argumentaci pro další využívání ²³⁸Pu. Boj o energii pro pohon kosmických sond tedy zdaleka ještě nekončí.

Podle: Anne-Marie Corly: So long plutonium. New Scientist, 2012, č. 2877, s. 46 – 49.

Zkrácený překlad: