Radioizotopový termoelektrický generátor

Rozbalit box

Obsah boxu

Radioizotopový termoelektrický generátor (běžně zkracováno jako RTG, anglicky Radioisotope Thermoelectric Generator) je typ zařízení pro výrobu elektrické energie, které přeměňuje teplo uvolněné radioaktivním rozpadem vhodného izotopu přímo na elektřinu pomocí Seebeckova jevu. RTG jsou v podstatě jaderné baterie s velmi dlouhou životností, které nemají žádné pohyblivé části, což z nich činí extrémně spolehlivé a bezúdržbové zdroje energie.

Díky těmto vlastnostem jsou ideální pro použití v aplikacích, kde je vyžadován stabilní a dlouhodobý zdroj energie bez možnosti údržby nebo doplňování paliva. Jejich nejznámější využití je v kosmonautice, zejména u kosmických sond mířících do vnější Sluneční soustavy, kde je sluneční záření příliš slabé pro efektivní využití solárních panelů. Používají se také na povrchu Marsu a historicky i na Měsíci. V menší míře nalezly uplatnění i v odlehlých pozemských lokalitách, jako jsou automatické meteorologické stanice, navigační majáky nebo podmořská zařízení.

📜 Historie

Vývoj RTG je úzce spjat s počátky kosmických letů a potřebou spolehlivých zdrojů energie pro satelity a sondy. Princip termoelektrického jevu byl znám již od 19. století, ale jeho praktické využití v kombinaci s radioaktivním materiálem bylo realizováno až v polovině 20. století.

⚛️ Počátky a program SNAP

První RTG byl vyvinut v USA v Mound Laboratories v Ohiu v roce 1954. Tento vývoj byl součástí širšího programu SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power), který byl iniciován Komisí pro atomovou energii (AEC). Program SNAP se dělil na dvě větve:

**Liché číselné označení (např. SNAP-3, SNAP-9A, SNAP-27):** Označovalo systémy využívající radioizotopové zdroje, tedy RTG.
**Sudé číselné označení (např. SNAP-10A):** Označovalo kompaktní jaderné reaktory určené pro vesmírné aplikace.

Prvním RTG, který se dostal do vesmíru, byl SNAP-3B na palubě navigační družice amerického námořnictva Transit 4A, vypuštěné 29. června 1961. Tento generátor, využívající Plutonium-238, poskytoval výkon 2,7 wattu a úspěšně fungoval po dobu 15 let.

🚀 Zlatá éra průzkumu vesmíru

V 60. a 70. letech se RTG staly klíčovou technologií pro ambiciózní mise k vnějším planetám.

Program Apollo: V rámci misí Apollo byly na povrchu Měsíce zanechány vědecké stanice ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Package), které byly napájeny generátory SNAP-27. Tyto zdroje poskytovaly přibližně 70 wattů a umožnily dlouhodobé monitorování měsíčního prostředí i po odletu astronautů.
Pioneer 10 a 11: Vypuštěné v letech 1972 a 1973, tyto sondy jako první prozkoumaly Jupiter a Saturn. Každá byla vybavena čtyřmi RTG typu SNAP-19, které jim poskytovaly energii na jejich dlouhé cestě mezihvězdným prostorem.
Viking 1 a 2: První úspěšné landery na Marsu (přistání 1976) byly také napájeny dvěma generátory SNAP-19, což jim umožnilo fungovat po několik let, nezávisle na slunečním svitu či prachových bouřích.
Voyager 1 a 2: Nejslavnější mise využívající RTG. Vypuštěny v roce 1977, sondy Voyager 1 a Voyager 2 prozkoumaly obří planety a pokračují ve své cestě mezihvězdným prostorem. Každá sonda je napájena třemi generátory MHW-RTG (Multi-Hundred Watt RTG). I po více než 45 letech ve vesmíru tyto generátory stále dodávají dostatek energie pro provoz klíčových vědeckých přístrojů a komunikaci se Zemí.

🛰️ Novější mise a moderní RTG

Vývoj RTG pokračoval i v dalších desetiletích, s důrazem na zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti.

Galileo a Ulysses: Sonda Galileo k Jupiteru a sluneční sonda Ulysses využívaly generátory GPHS-RTG (General Purpose Heat Source RTG), které zavedly modulární design tepelného zdroje pro zvýšení bezpečnosti.
Cassini-Huygens: Mise k Saturnu (1997–2017) byla napájena třemi GPHS-RTG, které jí poskytovaly stovky wattů po celou dobu její dvacetileté mise.
New Horizons: Sonda k Plutu a Kuiperovu pásu, vypuštěná v roce 2006, nese jeden GPHS-RTG, který jí umožnil provést historický průlet kolem Pluta v roce 2015.
Mars Science Laboratory (Curiosity) a Mars 2020 (Perseverance): Tyto moderní rovery využívají nejnovější typ generátoru, MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator). Tento typ poskytuje přibližně 110 wattů elektrické energie a jeho odpadní teplo je navíc využíváno k ohřevu citlivé elektroniky roveru během chladných marsovských nocí.

⚙️ Princip fungování

Funkce RTG je založena na dvou základních fyzikálních principech: uvolňování tepla při radioaktivním rozpadu a přímé přeměně tohoto tepla na elektrickou energii pomocí Seebeckova jevu.

☢️ Zdroj tepla: Radioaktivní rozpad

Jádrem každého RTG je tepelný zdroj (Heat Source Unit), který obsahuje radioaktivní materiál. Tento materiál se samovolně rozpadá, přičemž emituje ionizující záření (nejčastěji částice alfa). Energie těchto částic je při jejich pohlcení okolním materiálem přeměněna na teplo.

Pro použití v RTG musí radioizotop splňovat několik klíčových kritérií:

Dlouhý poločas rozpadu: Aby generátor mohl dodávat energii po mnoho let či desetiletí, musí se izotop rozpadat dostatečně pomalu.
Vysoká hustota výkonu: Musí produkovat dostatečné množství tepla na jednotku hmotnosti a objemu.
Typ záření: Preferuje se rozpad alfa, protože alfa částice jsou snadno pohlceny a jejich energie je efektivně přeměněna na teplo. Navíc je lze snadno odstínit tenkou vrstvou materiálu, což minimalizuje radiační zátěž pro citlivou elektroniku. Rozpad beta a záření gama jsou méně žádoucí, protože vyžadují těžké a objemné stínění.
Stabilní dceřiné produkty: Produkty rozpadu by neměly být příliš radioaktivní nebo produkovat pronikavé záření.

Nejčastěji používaným palivem je Plutonium-238 (²³⁸Pu) ve formě stabilního keramického oxidu plutoničitého (PuO₂). Má ideální kombinaci vlastností: poločas rozpadu 87,7 let, vysokou hustotu výkonu a emituje převážně alfa částice. Historicky se používaly i jiné izotopy, například ⁹⁰Sr v sovětských pozemních RTG nebo ²¹⁰Po v raných experimentech.

⚡ Přeměna tepla na elektřinu: Seebeckův jev

Teplo generované radioaktivním rozpadem je vedeno k soustavě termočlánků. Termočlánek je zařízení složené ze dvou různých vodivých materiálů (typicky polovodičů), které jsou na jednom konci spojeny. Pokud je tento spoj (tzv. "horký konec") zahříván a druhý konec ("studený konec") je udržován na nižší teplotě, vzniká mezi konci elektrické napětí. Tento jev se nazývá Seebeckův jev.

V RTG jsou stovky takových termočlánků zapojeny do série, aby se dosáhlo použitelného napětí a výkonu. Tato soustava se nazývá termoelektrický konvertor nebo termopil. Horké konce termočlánků jsou v kontaktu s tepelným zdrojem, zatímco studené konce jsou připojeny k radiátorům, které odvádějí odpadní teplo do okolního prostředí (ve vesmíru do prázdného prostoru).

Používané materiály pro termočlánky se v průběhu let vyvíjely, od slitin olova a telluru (PbTe) v raných generátorech až po slitiny křemíku a germania (SiGe) v modernějších typech, které snesou vyšší provozní teploty.

❄️ Odvod tepla a účinnost

Účinnost termoelektrické přeměny je přímo závislá na rozdílu teplot mezi horkým a studeným koncem termočlánků. Proto je klíčové co nejefektivněji odvádět odpadní teplo ze studených konců. K tomuto účelu slouží velké radiátorové panely (chladicí žebra), které jsou viditelným prvkem na mnoha kosmických sondách vybavených RTG.

Celková účinnost RTG je poměrně nízká, typicky se pohybuje mezi 3 % a 7 %. To znamená, že více než 90 % tepla vyprodukovaného radioaktivním rozpadem je vyzářeno do okolí jako odpadní teplo. I přes nízkou účinnost je však spolehlivost a dlouhá životnost pro mnoho aplikací rozhodujícím faktorem.

🚀 Využití

Díky svým unikátním vlastnostem našly RTG uplatnění v oblastech, kde jiné zdroje energie selhávají.

🌌 Vesmírné mise

Hlavní doménou RTG je kosmonautika. Jsou nepostradatelné pro:

Mise do vnější Sluneční soustavy: Ve vzdálenostech od Jupiteru dále je intenzita slunečního záření tak nízká, že by solární panely musely mít nerealisticky velkou plochu. Sondy jako Pioneer 10 a 11, Voyager 1 a 2, Galileo, Cassini-Huygens a New Horizons by bez RTG nemohly fungovat.
Mise na povrchu Marsu: I když je na Marsu možné použít solární panely (jako u roverů Spirit a Opportunity), RTG nabízí klíčové výhody. Zajišťují nepřetržitý přísun energie během noci i během prachových bouří, které mohou trvat týdny a zcela zakrýt Slunce. Rovery Curiosity a Perseverance díky svým MMRTG mohou pracovat nepřetržitě a jejich odpadní teplo navíc udržuje v teple citlivou elektroniku.
Mise na Měsíci: Vědecké stanice ALSEP zanechané na Měsíci misemi Apollo byly napájeny RTG, aby mohly fungovat i během dvoutýdenní lunární noci.

🌍 Pozemské aplikace

Ačkoliv méně časté, RTG byly nasazeny i na Zemi v odlehlých a nepřístupných lokalitách.

Navigační majáky a meteorologické stanice: Bývalý Sovětský svaz instaloval stovky RTG (typu Beta-M, využívajících Strontium-90) k napájení automatických majáků a stanic podél svého arktického pobřeží. Mnohé z nich se po rozpadu SSSR staly zdrojem ekologických a bezpečnostních obav.
Podmořská zařízení: používaly RTG k napájení podmořských senzorů a sledovacích systémů během Studené války.
Kardiostimulátory: V 70. letech byly vyvinuty kardiostimulátory napájené miniaturními RTG s plutoniem-238. Jejich životnost přesahovala 20 let, což bylo výrazně více než u tehdejších chemických baterií. S nástupem moderních lithiových baterií se od jejich používání upustilo.

🛡️ Bezpečnost a rizika

Použití radioaktivních materiálů, zejména plutonia, s sebou nese nutnost extrémních bezpečnostních opatření. Hlavním cílem je zajistit, aby radioaktivní materiál nebyl za žádných okolností uvolněn do životního prostředí, a to ani při katastrofické havárii nosné rakety.

Tepelný zdroj GPHS (General Purpose Heat Source), používaný v moderních RTG, je navržen jako systém vícenásobných bariér: 1. Palivová peleta: Samotné palivo (PuO₂) je v keramické formě, která je pevná, nerozpustná ve vodě a má vysoký bod tání. 2. Iridiový obal: Každá peleta je zapouzdřena v obalu z iridia, extrémně odolného kovu s vysokým bodem tání, který odolává korozi. 3. Grafitový blok: Dva takové obaly jsou umístěny v ochranném grafitovém bloku, který slouží jako ochrana proti nárazu. 4. Grafitový tepelný štít: Několik těchto bloků je uloženo v aeroshellu z uhlíkových kompozitů, který slouží jako tepelný štít chránící obsah před žárem při případném návratu do atmosféry.

Tato konstrukce byla testována tak, aby odolala explozi na startovací rampě, nárazu do země vysokou rychlostí i žáru při průletu atmosférou.

V historii kosmických letů došlo k několika incidentům s RTG na palubě:

**Transit 5BN-3 (1964):** Selhání nosné rakety, RTG shořel v atmosféře nad Indickým oceánem a plutonium se rozptýlilo ve velkých výškách, jak bylo plánováno pro tento typ havárie.
**Nimbus B-1 (1968):** Raketa byla zničena krátce po startu. RTG dopadl neporušený do oceánu u pobřeží Kalifornie a byl úspěšně vyloven.
**Apollo 13 (1970):** Lunární modul s RTG SNAP-27 se po neúspěšné misi vrátil k Zemi a jeho zbytky dopadly do Tichého oceánu do Tongského příkopu. Kontejner s plutoniem dopad neporušil a zůstává na mořském dně.

Tyto incidenty, ač nebezpečné, prokázaly robustnost a bezpečnostní filozofii konstrukce RTG.

🧑‍🏫 Vysvětlení pro laiky

Představte si RTG jako speciální baterii, která nepotřebuje nabíjení a vydrží fungovat desítky let. Místo chemických reakcí, jako v běžné baterii, využívá přirozené teplo, které vzniká při rozpadu radioaktivního materiálu.

Je to podobné, jako když držíte v ruce čerstvě uvařený brambor – cítíte teplo. V RTG je místo brambory kousek speciálního materiálu (nejčastěji na bázi plutonia), který je "horký" sám od sebe a zůstane horký po mnoho a mnoho let. Na tento horký materiál jsou přiloženy speciální destičky (termočlánky), které mají úžasnou vlastnost: když je jedna jejich strana horká a druhá studená, začnou vyrábět elektrický proud.

RTG tedy nemá žádné motory, turbíny ani jiné pohyblivé části, které by se mohly porouchat. Je to jen "horká cihla" obklopená destičkami, které tiše a spolehlivě vyrábějí elektřinu. Proto je to ideální zdroj pro kosmické sondy, které letí daleko od Slunce, kam nedosáhne sluneční světlo pro solární panely, a kam se po startu už nikdy žádný mechanik nedostane.

🔮 Budoucnost a alternativy

Zásoby plutonia-238 jsou omezené a jeho výroba je náročná a drahá. obnovily jeho produkci v malém měřítku, aby zajistily palivo pro budoucí mise. Současně probíhá výzkum pokročilejších technologií, které by mohly RTG nahradit nebo doplnit.

Hlavní alternativou je Stirlingův radioizotopový generátor (ASRG, Advanced Stirling Radioisotope Generator). Toto zařízení také využívá teplo z radioaktivního rozpadu, ale k výrobě elektřiny nepoužívá termočlánky, nýbrž Stirlingův motor s lineárním alternátorem. ASRG má výrazně vyšší účinnost (20–30 %), což znamená, že pro stejný elektrický výkon potřebuje až čtyřikrát méně drahého plutonia. Nevýhodou je přítomnost pohyblivých částí (pístů), což může snižovat dlouhodobou spolehlivost ve srovnání s absolutně statickým RTG. Vývoj ASRG byl v minulosti pozastaven, ale koncept zůstává slibnou technologií pro budoucnost.

Šablona:Aktualizováno