 |
 |
 |
 |
Máme tu ďalšiu, (mimo úvodnej) už tretiu časť o vesmírnych pohonoch budúcnosti. Tentoraz to bude niečo o fúznom nukleárnom pohone, ktorý je predsa len trochu iný, ako minule spomínaný štiepny. V čom spočíva rozdiel sa dozviete z nasledujúcich riadkov…
Fůzní nukleární pohon
Termonukleární fůze (syntéza) je energeticky nejbohatší jadernou reakcí. Slučují se při ní atomy jednoho prvku za vzniku atomů složitějšího prvku, a přitom se uvolňuje ohromné množství energie – mnohonásobně větší než při štěpení atomových jader. Bohužel zvládnutí efektivní jaderné fůze se lidem ještě nepodařilo. V TOKAMACÍCH i pulzních laserových reaktorech sice už vědci dovedou řízenou fůzi realizovat, ale zatím se ji nikdy nepodařilo udržet po dlouhou dobu, a přitom vždy jen s minimálním nebo žádným výtěžkem energie (ve většině případů je energie spotřebovaná reaktorem mnohem větší než energie uvolněná reakcí). Naopak neřízenou termojadernou fůzi se lidem povedlo realizovat celkem jednoduše – v podobě ničivých vodíkových bomb. Každopádně zvládnutí efektivní řízené termonukleární fůze brání jen určité technické problémy, s kterými se vědci a inženýři podle mě do 30ti let zajisté vypořádají (pesimisté tvrdí do 60ti let, optimisté pak do 15ti let), a pak nebude nic bránit jejímu využití i k pohonu vesmírných lodí. Jako palivo by se s největší pravděpodobností používala směs deuteria (2H) a tritia (3H) vzhledem k tomu, že je nejlehčeji „zapalitelná“. Deuterium můžeme levně vyrábět v ohromných kvantech z těžké vody obsažené v relativně velkém množství v oceánech. Tritium se dá uměle vyrábět bombardováním izotopu lithia neutrony, což sice znamená jisté prodražení, ale v porovnání s cenou jaderného paliva pro štěpné jaderné reaktory (ať už uranu nebo plutonia) to je pořád vcelku levná záležitost. Zde se objevuje první menší problém – tritium je silně radioaktivní (poločas rozpadu 12 let), z čehož plyne nebezpečí radioaktivního zamoření. Při syntéze deuteria a tritia se navíc uvolňuje velké množství neutronů, které musí být také odstíněny.
Vlastní termonukleární fůzní pohonné koncepty můžeme rozdělit podle způsobů, kterými je v nich dosahováno jaderné fůze. Prvním typem jsou pulsní pohonné systémy, kde je fůze dosahováno za pomoci silných laserových (nebo v některých případech iontových) pulsů. Do reaktoru (tedy spalovací komory) jsou vystřelovány miniaturní kapsle obsahující směs D-T (deuteria a tritia) a na kapsle jsou vždy zaostřeny paprsky protilehlých vysokoenergetických laserů nebo částicových urychlovačů (tak, aby se kapsle nacházela v ohnisku a lasery resp. iontová děla na ni působily ze všech stran), které způsobí prudkou kompresi a zahřátí kapsle. V té se přiblíží atomy D a T tak blízko k sobě, že se spolu sloučí na helium a přitom se uvolní velké množství energie a neutrony. Vzniklá plazma je pomocí silných elektromagnetických polí směrována tryskou ven. Typickým příkladem je projekt velké vesmírné lodě VISTA, kde by bylo „spalováno“ 30 D-T kapslí za sekundu a dosahováno tak Isp 170 000 N.s.kg-1. Tato loď je projektována pro 60ti denní misi na Mars s početnou lidskou posádkou. Jiným příkladem byla čistě teoretická studie vskutku gigantické lodi Daedalus pro mezihvězdné lety, kde by bylo spalováno 250 kapslí za sekundu a dosahováno tak Isp 10 milionů. N.s.kg-1 a tahu 7,5 milionů N.
Dalším typem je koncept pohonu, kde je jaderné fůze dosahováno za pomoci silných elektromagnetických polí. Existují dvě základní schémata – buď je to na obou koncích magneticky uzavřený válec opatřený na jednom z konců magnetickou tryskou, nebo to je prstencová magnetická nádoba (defacto TOKAMAK) opatřená divertorem plasmy (jakýmsi elektromagnetickým rozdělovačem proudu plasmy) s magnetickou tryskou na jeho konci. V obou případech je D-T palivo vstřikováno do trubice, ionizováno a zahříváno silnými elektrickými impulsy a vzniklá plasma udržována a stlačována silnými elektromagnetickými poli do úzkého homogenního svazku uprostřed oné trubice. Tak je dosahováno teplot plasmy okolo 50 milionů K, což stačí k „rozhoření“ řízené termonukleární fůze (to platí v případě použití směsi D-T jako paliva – je totiž teoreticky možné jako palivo používat i samotné deuterium, ale pak by muselo být dosahováno teplot cca 350 milionů K). Vznikající vysokoenergetická plasma pak opouští reaktor skrze magnetickou trysku. V případě lineárního magnetického válce je „magnetická zátka“ před tryskou oslabena oproti „magnetické zátce“ na uzavřeném protilehlém konci, díky čemuž může plasma oslabeným koncem z válce do magnetické trysky unikat. U prstencové magnetické nádoby je zase homogenní uzavřený svazek plazmy rozdělen magnetickým divertorem, z kterého je vyveden do magnetické trysky. Tyto pohonné systémy na rozdíl od impulsního laserového termonukleárního pohonu fungují kontinuálně a jsou schopny podávat Isp od 40000 N.s.kg-1 (v případě přimíchávání vodíku do výstupní plasmy) do 10 milionů N.s.kg-1 (v případě přímého využití produkované plasmy).
Kromě těchto základních konceptů existují i jiné koncepty termonukleárního pohonu. Většina z nich jsou ovšem jen teoretické možnosti nebo jsou neefektivní, či trpí různými nedostatky. Jedinou výjimku asi tvoří koncept pohonu využívající tzv. hustého plasmového ohniska (Dense Plasma Focus – DPF). Na rozdíl od ostatních konceptů termonukleárního pohonu, které jsou velmi rozměrné a hmotné (a tudíž použitelné jen pro obrovské vesmírné lodě), má tento koncept potenciál stát se malým termonukleárním pohonným systémem vhodným i pro malé vesmírné lodě, či dokonce automatické sondy. V tomto konceptu je pomocí elektromagnetického pole zionizováno palivo a vznikající plasma magneticky stlačována až do určitého bodu (ohniska daného geometrií onoho pole utvářeného mezi anodou a katodou), kde se dostanou jádra paliva tak blízko k sobě, že proběhne jaderná fůze. Vzniklá plasma pak opouští motor (reaktor) magnetickou tryskou. Tento proces se neustále opakuje (jde tedy vlastně o impulsní pohonný systém). Zajímavé na tomto konceptu je, že je dosaženo takového stlačení plasmy, které umožňuje použití i jinak téměř „nezapalitelných“ aneutronických termonukleárních paliv (jako např. směs jader vodíku a izotopu boru 11B – tj. palivo p-B11). Tím vzniká značná výhoda v tom, že reaktor nemusí být stíněn proti životu nebezpečným neutronům, které se ve velkém množství uvolňují při použití klasického paliva – tzn. směsy D-T. Bohužel tento koncept nikdy nemůže dosáhnout vysoké účinnosti (uvolněná energie z reakce bude v tomto případě vždy přibližně stejná jako energie, která musí být do reaktoru dodána), a tudíž je tento pohon použitelný vlastně jen jako elektrický pohonný systém (nicméně na rozdíl od „obyčejných“ elektrických pohonných systémů se 100% účinností využití dodané energie). Při přímém využití vznikající plasmy by byly motory založené na tomto konceptu schopny podávat Isp okolo 10 mil. N.s.kg-1 a v případě přimíchávání vodíku do vznikající plasmy by Isp mohlo klesnout až na 40000 N.s.kg-1 (ovšem samozřejmě by se mnohonásobně zvýšil tah).
Zajímavou možností u všech opravdu obrovských velkých vesmírných lodí (vhodných třeba i k 45 leté mezihvězdné misi na Alfu Centauri) s termonukleárním pohonem by také mohlo být využití tzv. Bussardových kolektorů, které pomocí elektromagnetických polí shromažďují mezihvězdný vodík (obsažený v malém množství všude ve vesmíru) použitelný jako palivo. Lodě s bussardovým kolektorem by nemusely mít vlastní zásoby paliva, což by byla ohromná úspora na hmotnosti a přinášelo by to nesčetné výhody. Samotný bussardův kolektor (na lodi vhodné pro uvedenou 45 letou misi k Alfě Centauri) by ovšem musel mít v průměru okolo 650km a vážil by okolo 3000 tun.
Osobně vidím v termonukleárních pohonných systémech velkou budoucnost. Splňují všechny předpoklady pro pokročilý pohon a dosahují perfektních výkonů. Otázkou zůstává, kdy se jich skutečně dočkáme, když ještě nejsme řízenou termonukleární reakci schopni pořádně zvládnout ani ve velkých zařízeních na Zemi. Až tomu tak bude (a já jsem přesvědčen, že to nebude trvat dlouho), tak dojde i na využití termonukleární reakce v oblasti vesmírného pohonu tak, jak jsem zde nastínil a to pravděpodobně předznamená novou éru průzkumu (a snad i kolonizace) Sluneční soustavy.
Nabudúce anihilačný pohon
Michal Křenek http://mikos.ic.cz m.krenek@volny.cz