Štefan Čerba

Pristávací modul Philiae

Ako nadšenec všetkého vesmírneho som pred niekoľkými týždňami napäto sledoval ako sa sonda Rosetta Európskej kozmickej agentúry (ESA) po vyše 10 rokoch cesty „tmou“ približovala ku kométe 67P / Churyumov – Gerasimenko. Po rôznych komplikáciách sa modulu Philiae úspešne podarilo pristáť na povrchu kométy. Istým spôsobom je ESA držiteľom svetového rekordu, lebo predtým sa nikomu nepodarilo pristať na žiadnej kométe hneď dvakrát. Tí čo tento manéver nesledovali si teraz môžu položiť otázku: „A prečo dvakrát? Nestačilo by raz?“ Samozrejme určite by to stačilo, avšak pri prvom pokuse sa modul odrazil z povrchu kométy do niekoľko kilometrovej výšky. Logicky, na to aby opätovne pristál, spotreboval ďalšie množstvo energie. Napájanie modulu Philae je založené na systéme dvoch batérii, pričom nabíjanie pomocou solárnych článkov je možné iba jednej z nich. Aj keď predurčené miesto pristátia nie je žiadna Kalifornia, predpokladalo sa, že dopadajúce slnečné lúče postačia na nabíjanie batérii. Ako sme mohli vidieť, finálne pristátie sa neuskutočnilo na tomto mieste a nastali komplikácie s napájaním elektrických zariadení pristávacieho modulu, čo spôsobilo vrásky na čele tisícke vedcov a inžinierov.

Kam nedosvieti Slnko, tam pomôže jadro

Slnečná energia bola odjakživa alfou a omegou vesmírneho výskumu. Solárne články sú svojim spôsobom spoľahlivým zdroj energie vo vesmíre. V prípade dostupnosti slnečného žiarenia dokážu konštantne napájať elektrické zariadenia po relatívne dlhú dobu. Navyše sa jedná o relatívne ľahké komponenty, čo je ďalším plusom pri cestovaní vesmírom. Dobre, ale čo ak naša misia smeruje do takých kútov vesmíru, kde slnečné žiarenie nie je dostatočné a pritom naše zariadenia vyžadujú neustále napájanie? Existujú také systémy ktoré nezávisia od vzdialenosti a polohy od Slnka? V dnešnom blogu si ukážeme, že takéto systémy existujú a sú založené na jadrovej energii. Existujú rôzne princípy činnosti a výkonové úrovne týchto zariadení, ktoré sa dajú kategorizovať nasledovne:

1. rádioizotopové zdroje,
2. štiepne systémy,
3. jadrové rakety.

Vesmírna sonda napájaná rádioizotopovým zdrojom

Rádioizotopové zdroje sú v anglickej terminológii často uvádzané pod skratkou RPS (Radioisotope power sources) alebo RTG (Radioisotope thermal generator). Zhoda so zariadením využívajúcim röntgenove žiarenie je čisto náhodná. RPS zdroje využívajú energiu vznikajúcu pri samovoľnom rozpade rádioaktívnych izotopov vybraných chemických prvkov. Väčšinou sa využíva alfa rozpad plutónia, amerícia alebo polónia. Alfa častice sú jadrami hélia. V dôsledku ich relatívne veľkej hmotnosti dokážu odovzdať veľkú energiu na malej vzdialenosti. Takéto žiarenie je charakteristické pri rozpade väčšiny ťažkých kovov, ako je napríklad plutónium. Naháňa vám plutónium strach? Obavy nie sú na mieste, jadrový výbuch pri týchto systémoch nemôže nastať, keďže sa nejedná o obávaný izotop ²³⁹Pu.

Princíp činnosti je založený na výrobe elektrickej energie pomocou Peltierových článkov, v terminológii NASA nazývaných sendvičom. Z jednej strany sú tieto články zohrievané dopadom alfa častíc a z druhej strany chladené extrémne nízkou teplotou vesmíru. Rozdiel teploty na tomto článku vedie k vzniku elektrického napätia. Účinnosť takého „sendviču“ je síce len na úrovni 20 %, ale nevyužitá tepelná energia sa dá sekundárne využiť ako tepelná ochrana elektronických časti pred vplyvom okolitých nízkych teplôt. Sú to články vhodné do ponurých podmienok vesmíru, bez slnečnej energie kde okolitá nízka teplota vplýva len na účinnosť premeny elektrickej energie, avšak nie na proces rádioaktívneho rozpadu.

Zariadenie použité v misii „New Horizons“

Použitie rádioizotopových zdrojov má už viac ako 50 ročnú históriu, nakoľko prvá družica napájaná rozpadom plutónia opustila planétu Zem už v roku 1961. Od tej doby bolo skonštruovaných celkovo 44 systémov, v drvivej väčšine v USA. Niekoľko experimentálnych zariadení bolo skonštruovaných aj v Číne a v Ruskej federácii. Rádio izotopové systémy vyvinuté agentúrou NASA boli využívané vo vesmírnych programoch Apollo, Pioneer, Viking, Voyager, Galileo, Ulysses a New Horizons. V súčasnosti najstarší z nich je Voyager, ktorý je vo vesmíre už 37 rokov a jeho prevádzka sa predpokladá minimálne do roku 2025.

Najvýznamnejším ruským projektom bol navigačný systém Cosmos, ktorý dosiahol obežnú dráhu Zeme v roku 1965 a je ešte stále v prevádzke. Na rozdiel od amerického dizajnu, ruské zariadenia využívali rozpad polónia. Okrem výroby elektrickej energie sa rádio izotopové zdroje používajú aj na udržiavanie konštantnej teploty elektrických zariadení, ale pri takýchto systémoch sa môžeme baviť len o jednotkách wattov.

Problémom rádioizotopových systémov je ich nízky elektrický výkon a veľká hmotnosť v prípade vyšších výkonových úrovni (jednotky kW). Sú však vesmírne misie, ktoré vyžadujú rádovo stovky kW alebo až MW. Pri takýchto výkonov prichádzajú do hry štiepne systémy. O týchto systémoch a o cestovaní na Mars si povieme niečo v druhej časti tohto blogu už čoskoro. Teším sa na Vás.