TEMA BROJA

Dragan Lazarević

Nuklearna energija / Izvori energije za kosmičke letelice

Orbita sa 31 reaktorom

Veliko proširenje ljudskog saznanja o svetovima Sunčevog sistema, zahvaljujući podacima i snimcima koje su poslale kosmičke sonde, postignuto je tehničkim napretkom u elektronici,kibernetici i raketnoj tehnici a značajan doprinos je dala nuklearna fizika sa nuklearnim inženjerstvom.
Ona je stvorila kompaktne dugotrajne izvore električne energije na osnovu nuklearne fisije, koji su pokretali merne instrumente, kamere, sisteme za navigaciju i komunikaciju sa Zemljom i raketne sisteme za upravljanje i korekciju putanje kao i posebne minijaturne nuklearne termogeneratore koji odžavaju neophodnu toplotu unutar sonde. Nuklearni izvori energije koji su do sada primenjivani mogu se svrstati u dve grupe: radioizotopski termoelektrični generatori (RTG) i minijaturni nuklearni reaktori.

Zahvaljujući RTG, kosmičke sonde su dobijale električnu energiju i na velikim udaljenostima od Sunca gde, iako znatno jeftiniji, fotonaponski solarni paneli ne mogu efikasno da funkcionišu. Radioizotopski termoelektrični generatori sa izotopom plutonijuma Pu238 su do sada najšire primenjivani.Toplota koja nastaje raspadanjem Pu238 se, pomoću tzv.termoelektričnih parova, limova od različitih metala ili poluprovodnika (kombinacije Ag-Ge, olovni telurid sa antimon teluridom, Si-Ge legure itd.) direktno se pretvara u električnu energiju.Tu pojavu otkrio je fizičar Sibek, pre gotovo dva veka.
Jedna komponenta termo-para je izložena visokoj temperatutri toplotnog izvora, u ovom slučaju ćelije od grafita u kojoj je loptica ili valjak od Pu238 dioksida, obloženog iridijumom - a druga je spojena sa panelima hladnjaka koji igra ulogu toplotnog ponora. Rezultat je: pojava elektromotorne sile, tj.napona na elektrodama kao i kod obične hemijske baterije. Raspadanje Pu238 se odvija emisijom alfa zračenja a nastaje jezgro U234, koje se dalje raspada. Polovina jezgara Pu238 se raspadne za 87,7 godina, i snaga RTGa vremenom postepeno opada. Sa Pu238 se ne može izvesti lančana reakcija jer, pri raspadu, ne emituje neutrone.

20 milijardi km od Sunca

Prve eksperimentalne primene su obavljene na satelitima u Zemljinoj orbiti 1961. Američki navigacioni satelit „transit 4A“ je imao RTG SNAP3B, sa 96 g metalnog Pu238. Potom su usledili sateliti „nimbus“ i „les“. U programu „Apolo“, u misijama od „apola 12“ do „apola 17“, astronauti lunarnih modula su postavljali na Mesečevu površinu niz instrumenata koji su bili snabdevani električnom energijom iz RTGa SNAP 27 (System for Nuclear Auxiliary Power) sa Pu238, koji su funkcionisali godinama. Do tada samo je NASA uspešno slala kosmičke sonde koje su bile snabdevane električnom energijom iz RTG sa Pu238. Prve kosmičke sonde koje su lansirane 1972-73 ka Jupiteru i Saturnu a koje su koristile RTG su bile „pionir 10 i 11“.
Zahvaljujući RTG izvorima električne energije sa Pu238, lenderi „viking 1 i 2“ su poslali prve slike Marsove površine na mestu spuštanja. Svaki lender je imao dva RT generatora, pojedinačne mase 13,6 kg i snage 30W. Sonde su slale i obilje naučnih podataka; lender „viking 1“ je radio 6,25 godina a „viking 2“ je funkcionisao 3 godine i 7 meseci.

Sonde „vojadžer 1 i 2“ lansirane su 1977. Proletele su pored Jupitera i Saturna a „vojadžer 2“ i pored Urana i Neptuna. Početna snaga njihovih RTG je bila 470W da bi postepeno opadala i 2001, oko 315W. „Vojadžeri“ su se udaljili preko 20 milijardi km od Sunca i njihovi sistemi su normalno funkcionisali zahvaljujući struji iz  RTG.
Sonda „ulseys“ koja je proletanjem pored Jupitera izbačena u polarnu orbitu oko Sunca, takođe je bila snabdevana energijom iz RTG. Jupiterov orbiter, sonda „galileo“ je uspešno funkcionisala zahvaljujući energiji 2 RTG, ukupne snage 493W po stizanju u Jupiterovu orbitu. Svaki RTG je imao 18 odvojenih modula izvora struje a svaki modul je imao 4 loptice Pu238 dioksida. Po završetku misije „Galileo“, orbiter je, da ne bi plutonijumom zagadio neki Jupiterov prirodni satelit, obrušen u Jupiterovu atmosferu.
Saturnov orbiter „kasini“ je svoj dugi let do Saturna i funkcionisanje u njegovoj orbiti obavio i zahvaljujući  3 RTG GPHS, ukupne mase dioksida  Pu238 32,7 kg; unutrašnjost sonde i lendera „hajgens“ grejalo je 117 malih radioizotopskih RHU emitera toplote snage po 1W. Po završetku misije „kasini“ je usmeren u Saturnovu atmosferu (pri čemu je i ispario) da bi se, posle potpunog utroška goriva u sistemu za manevrisanje izbegao nekontrolisan pad na neki od Saturnovih satelita i kontaminacija sa Pu238 iz RTG.
Marsov rover „kjurioziti“ uspešno istražuje podnožje planine Šarp, visoke 5600 m, sa ciljem da se popenje na nju zahvaljujući električnoj energiji iz RTG. Sonda „nju horajzns“ je slike dalekog Plutona poslala zahvaljujći RTG, snage 200W.
Buduće kosmičke sonde takođe će koristiti Pu 238 RTG izvore, novi Marsov rover 2020. i Jupiterov orbiter „Europa Clipper“.

Korist od starih iskustava

Bilo je i nekoliko neuspešnih misija kada su se kosmičke letelice sa RTG vraćale u Zemljinu atmosferu i sagorevale. Američki navigacioni satelit „transit 5BN 3“, usled kvara na raketi nosaču, nije ušao u Zemljinu orbitu 1964. nego se vratio u atmosferu i sagoreo. Pri tome se RTG raspao a Pu238, koji je bio u metalnom stanju, zapalio i kontaminirao područje istočnog Indijskog okeana.
Na osnovu tog lošeg iskustva, napravljeni su RT generatori sa Pu238 dioksidom i kućištem koje može da preživi ulazak u atmosferu i pad na površinu kopna ili okeana. Satelit „nimbus B1“ takođe nije postigao planiranu putanju pa je namerno raznet, ali njegov RTG je preživeo pad i kasnije je izvađen sa morskog dna.
Lunarni modul „apola 13“ je na stajnoj nozi imao grafitni kontejner u kojem je bio RTG SNAP 27. Posle prekinute misije i neobavljenog spuštanja na Mesec, vraćen je u Zemljinu atmosferu drugom kosmičkom brzinom. Pri tome se LM raspao ali je kontejner sačuvao RTG koji je, kako se smatra zbog odsustva tragova kontaminacije, ostao neoštećen na dnu Pacifika kod ostrva Fidži.
Slično se dogodilo i sa ruskom sondom „mars 96“ koja, zbog otkaza raketnog motora, nije uspela da pređe na međuplanetarnu putanju pa se vratila u Zemljinu atmosferu. Pri tome su kućišta RTGi ostala neoštećena i nije došlo do kontaminacije atmosfere.
Radioizotopski termoelektrični generatori imaju malu efikasnost, samo 3-7% toplotne energije pretvaraju u električnu. Vrše se istraživanja novih materijala za termoparove (npr. CoAs3) koji bi imali bar dvostruko veću efikasnost, što bi omogućilo manju masu RTG i nižu cenu a time i širu mogućnost upotrebe na kosmičkim letelicama.
Bolji koeficijent korisnog dejstva (i do 20% )imaju termijonski konvertori kao i termofotonaponske ćelije koje pretvar aju IC zračenje u elektricitet sa efikasnošću preko 20%.
Dinamički generatori koriste radni fluid koji se zagreva izotopskim generatorom da bi, ekspanzijom preko klipnog mehanizma ili turbine, ostvario mehanički rad; potom se radni fluid ohladi u sistemu radijatora i vrati ka izotopskom generatoru. Turbine ili klipni motori bi pokretali elekrogeneratore koji bi konačno dali elektromotornu silu. Efikasnost ovakvog procesa bi bila i do 23%.
Budući RT generatori bi, zahvaljujući većoj efikasnosti, mogli da posluže i za snabdevanje energijom jonskih reaktivnih motora koji su do sada koristili solarnu energiju i bili uspešno primenjivani na kosmičkim sondama (npr. sonda „dawn“).

Nuklearni reaktori za izviđačke satelite

Za potrebe kosmičkih letelica primenjen je i proces nuklearne lančane reakcije (u kojem se U235 raspada i daje neutrone koji dalje razbijaju druga jezgra) koji bi mogao da oslobodi i 400 puta više energije nego RTG - ako bi se ostvario u potpunosti.
Prv kosmička letilica koja je lansirana 1965. i koja je nosila minijaturni nuklerani reaktor je satelit „sad snapshot“. Njegov reaktor „snap 10 A“ je koristio U235 a snaga toplote bila je 40kw, od koje je 500W pretvarano u električnu struju. Ubrzo je otkazao i SAD više nisu lansirale nuklearne reaktore u kosmos. Na Zemlju je pao 1979.
SSSR je, u periodu 1967-88, lansirao u Zemljinu orbitu 31 satelit „ус-а“ (Upravljivi Sputnjik Automatski) koji su električnu energiju dobijali iz nuklearnog reaktora tipa „бук“. Ukupna masa satelita je bila 3,8 t, a nuklearnog reaktora 1,25 t. Jezgro reaktora je bilo od 37 elemenata 90% čistog U235, u vidu uranijum karbida ukupne mase od 31,5kg. Reflektor neutrona je bilo kućište od berilijuma a hlađenje se obavljalo smešom tečnog Na i K.

Šest vekova sigurnosti

Reaktor je bio usijan na oko 700ºC a emitovanu toplotu termijonski generator je pretvarao u oko 2 kW električne energije koja je korišćena za rad radara. Sateliti ovog tipa su bili namenjeni za radarsko nadziranje brodova, pre svega vojnih, na morima i okeanima. Njihova uloga nije javno objavljena pa su lansirani kao sateliti serije „Kosmos“ u koji spadaju objekti vrlo različitih namena. Oko Zemlje su se kretali na niskoj orbiti visine oko 220 km sa nagibom 65º. Bočnom radarskom antenom dužine 5 snimali su  područja koja su preletali.
Po završetku misije, dizali su se na orbitu od 800-1000 km visine i izbacivali jezgro reaktora, gde bi trebalo da ostane sigurno od pada na Zemlju oko 600 godina. Pri izbacivanju jezgra, oslobođeno je i nekoliko hiljada ohlađenih kapljica NaK iz sistema za hlađenje. Dva satelita iz ove serije su otkazala i nisu dignuta na višu orbitu, već su se neplanirano vratili u Zemljinu atmosferu. „Kosmos 954“ koji je 1978. nad severozapadnom Kanadom rasuo U235 iz reaktora i kontaminirao široko područje i „Kosmos 1402“ koji se 1983. raspao nad južnim Atlantikom sa sličnim posledicama.
SSSR je lansirao 1987. dva usavršenija radarska satelita pod neodređenom oznakom „Kosmos 1818 i 1867“, tipa „плазма А“ na orbitu visine 800 km koji su energiju dobijali iz nuklearnih reaktora tipa „топаз 2“. Ovi reaktori su od 150kW toplote iz reaktora davali električnu snagu od 6kW koja je  korišćena za radarsko snimanje.
Reaktor je imao 11,5 kg dioksida U235. „Kosmos 1818“ je funcionisao šest meseci a „kosmos 1867“ godinu dana, što je bio veliki napredak u odnosu na prethodnike. Tako se došlo do praga primene za dugi let kosmičke sonde - ali takvog projekta nije bilo.
Devedesetih godina prošlog veka, Rusija je nekoliko konstrukcija ovih reaktora  (bez U235) isporučila SAD, gde su ispitani i gde su potvrđeni njihova visoka efikasnost i tehnološki nivo. Posledice projekata „УС-А” i „Плазма А” su 31 nuklearni reaktor u Zemljinoj orbiti, koji će u budućnosti biti pretnja jer će njihove putanje vremenom postati nestabilne pa je ostao zadatak za buduću astronautiku da ih bezbedno vrati na Zemlju.

Dragan Lazarević

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"