SCEPS: Spalovací motor pro lety do hlubokého vesmíru

Americká NASA financuje v rámci programu NIAC řadu nadějných technologií pro průzkum kosmického prostoru. Podporu NASA získal i program chemického energetického systému SCEPS pro sondy letící do hlubokého vesmíru.

Elektrickou energii ve vesmíru lze získat nejsnadněji pomocí solárních článků. Na oběžné draze Země je intenzita slunečního záření cca 1400 W na metr čtverečný. Nejpokročilejší (tedy neuvěřitelně drahé) vícepřechodové solární články na kosmických sondách mají účinnost až 46 %.

Avšak dále od Slunce intenzita záření rychle klesá. Na oběžné draze Marsu intenzita slunečního záření dosahuje 590 W na metr čtvereční a u Jupiteru je to už pouhých 50 W na metr čtvereční.

NASA proto pro lety do hlubokého vesmíru používá jako zdroj elektrické energie radioizotopový termoelektrický generátor RTG – ten využívá pro své fungování přirozeného rozpadu vzácného radioaktivního izotopu plutonia 238.

Zásoby plutonia 238 se ale v posledních letech v NASA výrazně ztenčily. Za posledních 50 let NASA spotřebovala při 27 kosmických misích asi 140 kg plutonia 238.

Například marsovské vozítko Curiosity sebou veze 4,8 kg plutonia a sonda New Horizons, která před časem proletěla kolem Pluta, má na palubě 9,75 kg plutonia. Nyní ale NASA zbývá jen necelých 17 kg využitelného plutonia. Výroba plutonia 238 je přitom extrémně náročná a drahá.

Nová výroba plutonia od roku 2013 běží v reaktoru v Oak Ridge, ale zatím se produkují jen desítky až stovky gramů plutonia ročně. Cena výroby přitom šplhá do desítky milionů dolarů. Podle současných plánů produkce plutonia 238 v nejlepším případě dosáhne v roce 2023 hodnoty 1,5 kg této látky ročně.

NASA proto hledá možnosti, jak při výpravách do hlubokého vesmíru nahradit (resp. doplnit) RTG generátory nebo solární články. Jedním z řešení je využití chemického motoru SCEPS, který “spaluje” lithium a oxid uhličitý. Generátor SCEPS pro vesmírné sondy vzniká pod vedením Michaela Paula na Pensylvánské státní univerzitě.

NASA výzkum technologie SCEPS podpořila v první fází částkou 50 000 dolarů. Po potvrzení života schopnosti technologie poskytla Paulovi a jeho týmu dalších 400 000 dolarů na pokračování výzkumu.

Technologie SCEPS je již dlouho používána pro pohon amerických torpéd. Srdcem uzavřeného systému SCEPS je tepelný chemický reaktor, kde směs dvou reaktivních látek produkuje teplo. V torpédech je teplo využíváno přes Stirlingův motor k pohonu šroubu.

Paul navrhuje pro kosmické sondy v chemickém reaktoru “spalovat” lithium a oxid uhličitý. Vzniklé teplo pak přes Stirlingův motor a generátor bude vyrábět elektrickou energii pro kosmické sondy.

V současné době je cílem výzkumu zmenšit celou konstrukci tak, aby byla vhodná pro použití na kosmických sondách. “Například přistání na Marsu vyžaduje elektrický výkon v řadu stovek wattů, daleko méně než tisíce kilowattů, které SCEPS poskytuje torpédu amerického námořnictva,” dočteme se na stránkách NASA.

Zatím Paul postavil technologický demonstrátor SCEPS o výkonu 3 kW, který při účinnosti 39 % pracoval 80 hodin. Hmotnost zařízení byla 372 kg. Pro budoucí vývoj je jednoznačně nutné zmenšit výkon, snížit hmotnost a rozměry a prodloužit dobu fungování chemického reaktoru.

Pro lety do hlubokého vesmíru by mohla být sonda teoreticky vybavená malým RTG generátorem, a pro aktivní část mise, SCEPS generátorem – ten teoreticky dokáže poskytnout elektrickou energii po dobu až několika týdnů. Otevírají se tak možnosti podnikat mise na potemnělou odvracenou stranu Měsíce, k Marsu nebo k Asteroidům ležícím mezi Marsem a Jupiterem.

Paul také představil program ALIVE pro průzkum Venuše. Malý generátor SCEPS by mohl získávat oxid uhličitý přímo z atmosféry Venuše. Podle Paule může sonda s generátorem SCEPS pod příkrovem husté atmosféry Venuše fungovat až 30 dní.