 |
 |
 |
 |
 |
Seriál \„Budúcnosť vesmírnych letov\“ pokračuje druhou kapitolou – Pokročilé pohonné systémy a ako prvý príde po úvode na pretras štiepny nukleárny pohon. Kedže popis obrázkov je v angličtine (prepis by bol príliš náročny, ale z kontextu jednotlivých pasáží by mali byť zrozumiteľné), výhodu budú mať tí, ktorý ju aspoň trochu ovládajú. Ostatným ostáva už len slovník (nejlepšie angl.-slov. vedecký :-)
- Úvod do pokročilých pohonných systémov:
Klasické chemické raketové motory jsou velmi výhodné například pro vynesení nákladu na oběžnou dráhu Země, jelikož mají velký tah. Naprostá většina pokročilých pohonných systémů je pro tyto účely zcela nevhodná, jelikož poměr jejich tahu k celkové hmotnosti rakety (tedy vlastně jejich zrychlení) je menší než 1 (a to někdy i řádově), a tedy loď s takovýmto pohonem by se vůbec nedovedla vymanit z působení zemské gravitace. Pro samotné cestování ve vesmíru ovšem chemické raketové motory už tak moc vhodné nejsou. Maximální specifický impuls dosažitelný raketovým pohonem (pracujícím s kapalným kyslíkem a vodíkem) je zhruba 4500N.s.kg-1, což je například v porovnání s pokročilými elektrickými pohonnými systémy téměř směšná hodnota a znamená na dlouhé lety značnou spotřebu paliva. Z těchto a dalších důvodů začali vědci hledat jiné možnosti, jak pohánět automatické sondy nebo vesmírné lodě, začali hledat ony pokročilé pohonné systémy. Ideální pokročilý pohon by měl splňovat několik vlastností. Měl by dosahovat co největšího specifického impulsu, měl by mít co nejmenší spotřebu paliva a celkově by systém pohonu neměl mít přehnaně velkou čistou hmotnost.
Obecně lze říci, že reaktivní pohon se dá ve vesmíru používat dvojím způsobem. První způsob letu, let podle tzv. „impulsivních“ Hohmannových trajektorií, se používá u pohonů s nízkým specifickým impulsem a s velkým poměrem tahu ku hmotnosti rakety (tedy s velkou akcelerací), jako jsou třeba právě klasické chemické raketové motory. Při tomto letu se loď uvede na požadovanou rychlost pomocí krátkých zážehů motoru, dosaženou rychlostí letí až k cíli a tam zbrzdí svůj let zase pomocí krátkých zážehů motoru. Při druhém způsobu letu, využívaném právě u pokročilých pohonů s velmi vysokým specifickým impulsem a nízkým poměrem tahu ku hmotnosti rakety, naproti tomu raketa neustále zrychluje (třeba až do poloviny své trasy), odkud může začít zas až do cíle kontinuálně zpomalovat. Tento způsob letu je mnohem úspornější (vzhledem k nízké spotřebě paliva pokročilých pohonných systémů) a přitom na delší vzdálenosti i mnohem rychlejší.
Různé pokročilé pohonné systémy najdou jistě uplatnění například v plánované misi na Mars, v případných budoucích letech na Měsíc, v automatickém průzkumu (a v budoucnu třeba i s lidskou posádkou) vnějších planet naší sluneční soustavy a jejich měsíců a v ještě vzdálenější budoucnosti by se některé z těchto pohonů daly využít například pro automatický průzkum Oortova mračna, Kuiperova pásu a možná i k mezihvězdným průzkumným letům například k Proximě Centauri (ale o tom docela pochybuji vzhledem k problémům, které by takový let přinášel).
- Štěpný nukleární pohon
Využití energie štěpné jaderné reakce k pohonu se zdá být velmi výhodné, vždyť z jaderných reakcí se uvolňuje přibližně 107× vyšší množství energie, než z těch nejenergičtějších chemických reakcí. Úvahy o využití atomové energie k pohonu raket se objevily už za 2. světové války a v 50. a 60. letech na programu jaderného pohonu pracovalo jak USA, tak Rusko a dokonce bylo sestrojeno a vyzkoušeno několik prototypů (např. americká Nerva).
Jenže jaderný pohon má také velké množství nevýhod. Jako jaderné palivo se používá buď 235U nebo 239Pu, což jsou velmi vzácné radioaktivní izotopy vyskytující se v přírodě v minimálním množství (235U), nebo se v přírodě vůbec nevyskytující (239Pu). Ale výroba jaderného paliva není až zas takový problém (přestože je velmi nákladná), největším problémem bránícím širšímu uplatnění jaderných pohonů je radioaktivita a s ní související nebezpečí, jako možnost radioaktivního zamoření nebo ozáření posádky rakety. Nesmím také opomenout, že vzhledem k minimálnímu kritickému množství jaderného paliva a nutnému antiradiačnímu a termálnímu stínění jsou všechny jaderné pohonné systémy velmi rozměrné a hmotné a tudíž vhodné prakticky jen pro velké vesmírné lodě.
Koncepty jaderného pohonu lze rozdělit na dva typy – tepelné jaderné motory a impulsní jaderné motory. Princip tepelných jaderných motorů je vcelku jednoduchý – spalovací komora je vlastně jaderný reaktor, ve kterém je umístěno jaderného palivo a kde probíhá štěpná řetězová reakce. Do tohoto jádra je vháněna pracovní látka (palivo), většinou kapalný vodík, kterému jaderné palivo předává tepelnou energii (vzniklou štěpnou reakcí). Vodík zahřátý na vysokou teplotu pak uniká tryskou ven. Tento pohon lze ještě dále rozdělit podle formy, ve které se palivo v reaktoru vyskytuje.
Prvním a nejjednodušším typem je tepelný jaderný pohon s pevným jádrem, kdy jde v podstatě o otevřený klasický jaderný reaktor opatřený tryskou. Tento pohon, který byl již při testech na Zemi odzkoušen, může poskytovat Isp 8000 – 9000 N.s.kg-1. Poměr tahu k hmotnosti může být přitom vcelku velký (větší než 1g – obdobně jako u chem. raketového pohonu). Hodnota specifického impulsu se může zdát vzhledem k obrovskému množství energie uvolněné jadernou reakcí nízká, ale je to dáno tím, že jaderné palivo musí být uloženo v obalových materiálech, a tak je maximální teplota protékající pracovní látky (vodíku) omezena teplotou tání těchto materiálů.
Dalším typem je tepelný jaderný pohon s kapalnou (respektive suspenzní) aktivní zónou. V tomto případě je jaderné palivo buď v kapalné formě jako tavenina, nebo ve formě suspenze (v obou případech karbid uranu ve směsi s karbidem wolframu nebo zirkonia pro zvýšení max. dosažitelné teploty) udržováno jako vrstva u stěn spalovací komory odstředivými silami (komora musí rotovat přibližně rychlostí 3000 ot./min). Pracovní látka (vodík) pak směrem od stěn do středu komory prochází skrze tuto vrstvu horkého jaderného paliva, obtéká ho, prudce se zahřívá a uniká skrz trysku. Tento koncept může dosahovat v případě suspenze Isp až 11000 N.s.kg-1 a v případě kapalné aktivní zóny Isp dokonce 13000 – 15000 N.s.kg-1. Poměr tahu k hmotnosti může být relativně velký (větší než 1). Bohužel má tento koncept i některé (a vcelku velké) nevýhody. Problémem je nestabilita vrstvy jaderného paliva (ať už suspenze, nebo taveniny) na pomezí mezi pracovní látkou, dále ztráty jaderného paliva způsobené jeho odnášením pracovní látkou a odpařováním a také to, že kapalná zóna uvolňuje málo neutronů a tudíž musí být okolo „spalovací“ komory umístěny tlusté a těžké odražeče neutronů (z Be, C nebo D2O). V praxi se ukázalo, že by byl tento koncept vzhledem k těmto problémům neekonomický, a tudíž se jím žádný stát v širší míře nezabýval.
Posledním typem je tepelný jaderný pohon s plynnou aktivní zónou. Existuje mnoho různých schémat tohoto pohonu, ale všechny mají jednu společnou věc. Ve „spalovací“ komoře je udržováno jaderné palivo v horkém plynném (nebo dokonce plazmatickém) stavu, skrze něj protéká (nebo ho různými způsoby obtéká) pracovní látka (jako obvykle vodík) a ta následně po prudkém zahřátí opouští „spalovací“ komoru tryskou. Při tom dochází k přímému kontaktu jaderného paliva s pracovní látkou a nejsme tedy omezeni teplotou tání různých obalových materiálů nebo teplotou varu samotného jaderného paliva. Ona plynná aktivní zóna může rotovat a udržovat se tak ve středu spalovací komory (dáno proudění pracovní látky kolem ní), nebo může být ve spalovací komoře udržována jinými způsoby (např. koaxiálním prouděním, magnetickým polem, křemennou kapslí, atd.). Teplota v této aktivní zóně může dosáhnout maximálně 55000 – 60000K a proto musí být aktivní zóna izolována od stěn a komora musí být dokonale chlazena. Takovéto pohony mohou dosahovat různých výkonů – záleží na daném schématu. Obecně mohou bez aktivního chlazení dosahovat Isp 15000 – 30000 N.s.kg-1 a v případě nejdokonalejších schémat s aktivním chlazením je teoreticky možné dosáhnout Isp až 70000 N.s.kg-1! Průměrný poměr tahu ku hmotnosti může být dosti různý – očekává se od 0,3g až po hodnoty nad 1g. Tak velký specifický impuls předurčuje velký zájem o takovýto pohon, ale všechno má svá pro i proti. V prvé řadě jsou až na pár výjimek (s nižším Isp) ve všech schématech takového pohonu očekávány velké ztráty jaderného paliva vzhledem k množství použité pracovní látky 1 – 10% (ovšem mohou být využita přídavná magnetická pole k jeho lepšímu zadržování v komoře). To znamená nebezpečí jaderného zamoření a také velmi drahý provoz (palivo musí být do plynné aktivní zóny průběžně doplňováno, a tudíž se ho spotřebuje mnohem více). Dalším problémem jsou velké rozměry a hmotnost takového pohonu plynoucí z nutného použití mohutných neutronových odražečů, případného aktivního chlazení a také z nutnosti udržovat ve spalovací komoře velký tlak. Z toho vyplývá, že takovýto pohon by byl použitelný skutečně jen u velmi velkých lodí (jeho hmotnosti se pohybují v řádu desítek tun).
Impulsní jaderný pohon je založen na zcela jiném principu. Typickým příkladem takového pohonu byl např. projekt Orion. Z lodě jsou vypouštěny miniaturní atomové bomby (o síle menší než 0,01 kilotun) v intervalech 1 – 10s a ty ve vzdálenosti 100 až 1000m za lodí explodují. Tlaková vlna z exploze se „opře“ do silného štítu za lodí a energie exploze je z tohoto štítu přes systém tlumení nárazů přenesena na loď. Isp tohoto pohonu může být 18400 – 25500 N.s.kg-1a poměr tahu ku hmotnosti přibližně 4g. Bylo spočítáno, že pro 250 denní misi na Mars by bylo potřeba 2000 pulsů, tzn. 2000 malých atomových bomb. Tento koncept ovšem zřejmě nemá budoucnost (projekt Orion byl zrušen v r. 1965), vzhledem k mezinárodním úmluvám a dohodám, které přísně zakazují skladování jakýchkoliv jaderných zbraní ve vesmíru, i kdyby měly sloužit jen k pohonu lodí. Vždyť i normální tepelný jaderný pohon je v tomto ohledu docela problematický (ale v tomto případě naštěstí ne zas tolik).
Existuje zde ale ještě jeden, i když zatím jen teoretický typ jaderného pohonu. Jde o pohon přímo využívající fragmenty štěpné reakce. Princip tohoto pohonu je také celkem jednoduchý. Místo toho, aby byla energie jaderné reakce využita k zahřátí pracovní látky, jsou silně ionizované fragmenty (částice) opouštějící štěpný materiál ohromnými rychlostmi (několika procent rychlosti světla) pomocí silných magnetických polí usměrněny tak, aby produkovaly tah. Tak by mohlo být dosaženo Isp až 10 milionů N.s.kg-1! To už je výsledek rovnající se i termonukleárním fůzním pohonným konceptům a dokonce i některým konceptům využívajícím jako zdroj energie anihilaci hmoty a antihmoty. Jedinými problémy jsou složitá konstrukce takového pohonu (jaderné palivo musí být umístěno v tenkých vrstvách, aby se z něj mohly uvolňovat vysokoenergetické fragmenty) a nutnost použití speciálních lehce-štěpitelných paliv (jako amercium – Am, nebo curium – Cm) – plutonium nebo uran by šlo použít jen u opravdu hodně velkých motorů. Velkou roli zde hraje také to, že by tento pohon měl v každém případě extrémně nízký tah (tedy i zrychlení). Budoucnost tohoto konceptu vidím díky jeho ohromnému Isp snad jen v letech za hranice naší sluneční soustavy (otázkou ovšem zůstává, zda takové lety vůbec budou někdy realizovány, a kdyby přece jen byly, tak pochybuji o využití tohoto konceptu, když proti němu stojí podstatně výhodnější koncepty termonukleární a třeba i anihilační).
Na závěr bych se ještě zmínil o některých dalších zajímavých konceptech majících souvislost s jaderným pohonem. Jedním z nich je možnost do spalovací komory tepelného jaderného motoru s pevným jádrem těsně před tryskou vstříknout kapalný kyslík. Pak jde vlastně o klasický chemický raketový pohon, kde je vodík předehříván jaderným reaktorem. Výhodou takového hybridního konceptu je, že ve standardním jaderném režimu (bez přídavku O2) dosahuje například Isp 9400 N.s.kg-1 a tahu 67kN. Po zapnutí onoho „přídavného spalování“, tedy vstřikování kyslíku do spalovací komory, sice Isp klesne na 6470 N.s.kg-1, ale tah stoupne na 184kN (při poměru okysličovadla ku palivu 3). To je využitelné např. když je potřeba velkého zrychlení (naopak pro delší lety by byl používán klasický jaderný režim). Posledním relativně zajímavým jaderným pohonem je malý tepelný jaderný pohon s pevným jádrem, kde ovšem nedochází k štěpné reakci, ale energie je pracovní látce dodávána přirozeným jaderným rozpadem prvku s krátkým poločasem rozpadu. V případě použití polonia 210Po jako jaderného materiálu (poločas rozkladu 138 dní) je tento pohon schopný poskytovat Isp 6500 – 8000 N.s.kg-1 a tah jen 1,3 – 1,5N. Využití tohoto pohonu je ale podle mě sporné, vzhledem k radioaktivitě, hmotnosti a v porovnání s jinými pokročilými pohonnými systémy i vzhledem k menšímu Isp.
To je k jadernému pohonu vše. Podle mého názoru ovšem nebude žádný z konceptů jaderného pohonu nikdy využíván v širší míře. Pro pilotované mise v naší sluneční soustavě (včetně plánované mise na Mars) je mnohem výhodnější kombinace malého jaderného reaktoru (spíše než velkých solárních článků) jako zdroje energie a pokročilého elektrického pohonného systému jako motoru. Této kombinaci se nemůže vyrovnat žádný jaderný pohon. V případě obrovských meziplanetárních vesmírných lodí by mohl vyhovovat koncept tepelného jaderného pohonu s plynnou aktivní zónou, ale spíše bych sázel na budoucí termonukleární fůzní pohonné systémy. Pro mezihvězdné mise se zde sice naskýtá možnost využití jaderného pohonu přímo využívajícího fragmenty štěpné reakce, ale tento koncept je dosti problémový a mnohem lépe by vyhovovaly termonukleární, anihilační nebo vhodně kombinované pohonné systémy.
Nabudúce preberieme fúzny nukleárny pohon a neskôr anihilačný pohon
Michal Křenek http://mikos.ic.cz m.krenek@volny.cz