Vybrané články
z týdeníku The Economist

Vesmír v době atomové

Fúzní motory mají pohánět moderní „nesestřelitelné“ satelity, jádro se bude používat při letech na Mars i na měsíční základně.

Vesmír v době atomové
ilustrační foto | ©DARPA

Loni v listopadu sestřelilo Rusko nefunkční satelit, čímž vytvořilo ohromný oblak úlomků, které budou Zemi obíhat ještě za desítky let. Byl to první ruský test střely „s přímým stoupáním“ (Direct Ascent), Čína provedla zkoušku podobné zbraně už v roce 2007 a i ta vytvořila oblak trosek. Indie a Amerika už rovněž sestřelily nefunkční satelity, i když při tom naštěstí nedošlo ke vzniku dlouho přetrvávajících polí kosmického odpadu.

Americké armádní velení je ze vší té střelby nervózní; Pentagon si velmi dobře uvědomuje, jak těžké by v dnešní době bylo vést válku, pokud by mu někdo zlikvidoval klíčové satelity. Proto chce, aby měla nová generace vojenských družic schopnost se takovým útokům vyhnout. A odpověď vidí v moderním jaderném pohonu. Koncept mají rozvíjet dvě iniciativy.

První, pod hlavičkou Agentury ministerstva obrany pro pokročilé výzkumné projekty (DARPA), bude zkoušet technologii známou jako „termonukleární pohon“. Ve spolupráci s firmami jako Blue Origin, General Atomics a Lockheed Martin má DARPA vyvinout kosmickou loď, která ponese malý jaderný reaktor. V jeho jádru budou štěpící se atomy vytvářet obrovský žár. Toto teplo bude pohlcovat kapalný vodík nasávaný z nádrže na palubě lodi. Kapalný vodík se skladuje při teplotách pod -253 °C a při zahřátí se rychle rozpíná. A pokud se takto ohřátý plyn nasměruje do trysek v zadní části lodi, vytvoří velmi silný tah.

Taková kosmická loď by dokázala vystoupat na geostacionární oběžnou dráhu kolem Země (téměř do 36 tisíc kilometrů) během pár hodin. Satelity, které spalují normální raketové palivo, na to dnes potřebují několik dní. Satelity s jaderným pohonem by také bylo obtížné zničit – bylo by možné dost často měnit jejich trajektorii, takže by byla nepředvídatelná. DARPA chce svou kosmickou loď nazvanou DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations – Předváděcí raketa pro rychlé cislunární operace) v roce 2025 otestovat na oběžné dráze. To je značně ambiciózní plán vzhledem k tomu, že termonukleární pohon dosud nikdo ve vesmíru nezkoušel.

Druhou iniciativu rozvíjí Útvar pro inovace v obranných technologiích (DIU) při ministerstvu obrany. Ten loni v září vypsal výběrové řízení na jaderné systémy pro pohon satelitů, respektive na napájení palubní elektroniky. Účastníci musejí splnit pár kritérií: jejich nápady nesmějí pracovat s termonukleární fúzí, na níž už pracuje DARPA, musejí být schopny dodat do tří až pěti let prototyp a musejí mít reálný plán na testování ve vesmíru. DIU dostal desítky nabídek a ke konci února by měl oznámit dva vítěze.

Kobalt místo plutonia

Ryan Weed, kapitán amerického letectva (USAF), jenž řídí program DIU, říká, že se přijaté nápady dají rozdělit do několika kategorií. Některé pracují s jadernými reaktory, ale neohřívají kapalný vodík. Místo toho využívají teplo k výrobě elektřiny a jako pohonný plyn slouží například xenon. Princip těchto technologií spočívá v ionizaci plynu v elektrickém nebo magnetickém poli a jeho následném vypouštění tryskou. 

Iontový motor není nijak nová myšlenka, ale jaderný reaktor by pro něj dokázal vyrábět podstatně víc elektřiny než sebevětší solární panely. Družice bez solárních panelů by také byly pro nepřátele podstatně hůř sledovatelné a zničitelné, což je pro vojenské účely další výhoda.

Mnoho návrhů elektroatomového pohonu pracuje se stejným procesem štěpení atomů, jaký se využívá v pozemských jaderných elektrárnách. Celé zařízení má vážit přinejmenším tunu, takže se hodí pouze pro velké satelity.

Jiné nápady sázejí na radioizotopové termoelektrické generátory (RTG). Podobné „nukleární baterie“ se už dlouho používají jako pohon sond vysílaných do hlubokého vesmíru, kde je intenzita slunečního záření zanedbatelná. RTG nepotřebuje kompletní jaderný reaktor, vystačí si s takzvanými termočlánky, které generují elektřinu z tepla uvolňovaného rozpadem radioaktivních izotopů. Plutonium-238, které vzniká jako vedlejší produkt při vývoji jaderných zbraní, použila NASA v sedmdesátých letech k pohonu sond Voyager a dosud fungují, a stejně tak pohání i robota Curiosity, který v současnosti jezdí po povrchu Marsu. 

Plutonium-238 nicméně podléhá přísnému bezpečnostnímu režimu a je nedostatkové. A s poločasem rozpadu 87,7 roku dochází k rovnoměrnému uvolňování tepla ve velmi dlouhém časovém horizontu. DIU proto hledá alternativy s kratším poločasem rozpadu a „mnohem vyšší hustotou termální energie“, říká kapitán Weed. Jako slibná alternativa, navíc komerčně dostupná, se momentálně jeví kobalt-60 s poločasem rozpadu 5,3 roku. RTG by měly dodávat elektřinu pro pohon a napájení palubní elektroniky satelitů o velikosti pračky.

Jen ať to nebouchne

Nakolik je ale bezpečné posílat do vesmíru jaderná zařízení, a zejména reaktory? Major amerického letectva Nathan Greiner, který vede program pod záštitou DARPA, říká, že mnoho lidí má obavy z možnosti výbuchu lodě DRACO na odpalovací rampě. Podle Greinera by taková nehoda nebyla o nic nebezpečnější než výbuch konvenční rakety – protože by reaktor v tu chvíli nebyl zapnutý, jeho uranové palivo by tudíž nepředstavovalo radiologické ohrožení. 

Větší problém by nastal, kdyby jaderný reaktor spadl do moře. Voda může spustit řetězovou reakci, při níž se štěpí atomy uranu, uvolňují tak neutrony a ty následně rozštěpí další atomy uranu. Neřízená štěpná reakce by pak mohla způsobit roztavení jádra. DRACO je proto navržena tak, aby řídicí tyče z boru zůstaly i po ponoření do vody na svých místech. Bor se používá v jaderných reaktorech k regulaci či úplnému zastavení jaderného štěpení.

Další nebezpečí představuje neplánovaný návrat do atmosféry. Sovětský svaz vyslal na oběžnou dráhu přinejmenším 33 špionážních satelitů, které používaly jaderné reaktory k napájení palubní elektroniky (nikoli k pohonu). Při nehodě družice Kosmos 954 v roce 1978 selhal systém vynesení reaktoru na vyšší, takzvanou „odpadovou“, orbitu. Radioaktivní trosky zasypaly několikakilometrový pás území na severozápadě Kanady. Aby se podobná nehoda neopakovala, nebude jaderný reaktor DARPA kroužit kolem Země na nízkých oběžných drahách, ujišťuje šéfinženýrka projektu DRACO Tabitha Dodsonová.

Nedávné oživení zájmu o jaderné energie v kosmu přímo souvisí se lepším počítačovým modelováním konstrukcí reaktorů. Vědci se dlouho domnívali, že by jaderný reaktor, aby se vešel do rakety, musel pohánět vysoce obohacený izotop uranu 235U, který se snadno štěpí. Palivo již zmiňované sovětské družice Kosmos 954 například tvořil uran-235 obohacený na devadesát procent, tedy materiál podobný tomu, jenž byl použit v atomové bombě, která v roce 1945 vybuchla nad Hirošimou.

Kvůli obavám z jeho potenciálního dvojího využití se proto vědci při stavbě zkušebních reaktorů potýkali s ohromným množstvím byrokratických překážek, dlouhými dodacími lhůtami a obrovskými finančními nároky. A i když šlo všechno hladce, měli na krku „spoustu stráží a zbraní“, říká Michael Eades, vrchní inženýr USNC Advanced Technologies, seattleského subdodavatele projektu DRACO. Lepší počítačové modelování však v posledních letech umožnilo vědcům navrhnout reaktory, které si vystačí s uranem-235 obohaceným na méně než dvacet procent. To už je méně, než kolik je třeba k výrobě zbraně, takže odpadá část státních regulací.

Chcete na Mars rychleji?

Amerika není jediná, kdo se vrhl do jaderného výzkumu pro kosmické účely. Čína a Rusko rovněž vyvíjejí jaderné technologie pro využití ve vesmíru. Čína plánuje flotilu raketoplánů na jaderný pohon. Rusko vyvíjí nákladní kosmickou loď nazvanou Zeus, poháněnou jaderným reaktorem. Ruská kosmická agentura Roskosmos ji chce vypustit v roce 2030.

Možnost nasazení manévrovatelnějších satelitů bezpochyby vyvolá podezření u ostatních států, které se věnují dobývání kosmu. Jaderná kosmická loď s dostatečně silným zdrojem elektrické energie by se například dala použít k blokování satelitní komunikace. Dokumenty petrohradské společnosti KB Arsenal, která se podílí na vývoji Zeusu a údajně i dalšího jaderného plavidla nazvaného Ekipáž, se zmiňují o možnosti použít velkou anténu a zaplavit široké okolí silným elektromagnetickým zářením. To by přehlušilo relativně slabé rádiové signály, které normálně přijímají a vysílají komunikační družice.

Všechny ty posuny oživily zájem o toto pole kosmického výzkumu. V roce 2019 vydal americký prezident Donald Trump memorandum, v němž se uvádí, že kosmické systémy s jaderným pohonem jsou „klíčové“ pro americkou dominanci ve vesmíru. V reakci na to zjednodušil příslušné regulace. Jeho nástupce Joe Biden v tom pokračuje, když nechal uvolnit prostředky na následný výzkum a vývoj v režii státu i v soukromém sektoru.

O jaderný pohon se nezajímají pouze americké ozbrojené síly. Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA) touží jednoho dne vyslat astronauty na Mars, a proto zkoumá možnosti využití elektroatomového pohonu a také spustil vlastní projekt vývoje termonukleárního pohonu. Druhý systém nese označení PADME (Power-Adjusted Demonstration Mars Engine) a jeho prototyp by se měl začít testovat už za čtyři roky.

PADME bude vážit zhruba 3,5 tuny a po vynesení na oběžnou dráhu má být schopen zrychlit velkou kosmickou loď během patnácti minut na dvanáct kilometrů za vteřinu. Taková loď by doletěla k Marsu za necelých šest měsíců, o tři měsíce rychleji než s chemickým pohonem. NASA ji chce vyzkoušet na případném zásobovacím letu na Mars ve třicátých letech. Už na konci dvacátých let také chce mít NASA jadernou elektrárnu na Měsíci, která by zásobovala elektřinou tamní stálou základnu. Do poloviny února přijímá americká vesmírná agentura návrhy na konstrukci desetikilowattové „povrchové fúzní elektrárny“.

Jedno je tedy jisté – vesmír vstupuje do doby atomové.

© 2022 The Economist Newspaper Limited
All rights reserved. Publikováno na základě licence s The Economist, přeloženo týdeníkem Hrot.
Originální článek v angličtině najdete na www.economist.com.