USA chtějí poslat do vesmíru reaktor, který zatím nefunguje ani na Zemi

Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.

Výzkumné oddělení amerického ministerstva obrany v květnu letošního roku oznámilo, že schválilo financování pro vývoj dvou nových „jaderných pohonů“ pro vesmírná plavidla. Projekt by měl vést v praktickou zkoušku daného zařízení na palubě družice kolem Země v roce 2027.

Protože jde o vojenský projekt, výše podpory nebyla oznámena. Na základě jiných případů lze očekávat, že půjde o relativně nízké prostředky, řádově do jednotek milionů dolarů. Víme ovšem, kdo peníze získal.

Jedním vítězem je společnost Ultra Safe Nuclear, jejímž cílem je vylepšit dnes již používaný zdroj energie. Její zařízení nazvané pracovně EmberCore totiž vyrábí elektřinu z tepla vznikajícího při rozpadu radioaktivních materiálů.

Podobné „radioizotopové generátory“ se ve vesmíru používají již desítky let, používají je třeba mise Apollo, díky nim sondy Voyager stále alespoň částečně fungují a komunikují se Zemí i po 45 letech ve vesmíru. Nové zařízení má být prostě v řadě ohledů „lepší“: především účinnější, a tedy i potenciálně výkonnější.

Druhá společnost, kterou Pentagon podpořil, slibuje něco na pohled mnohem zajímavějšího: její zařízení Orbitron má vyrábět energii na principu jaderné fúze, tedy slučování atomových jader. Na Zemi žádná elektrárna na tomto principu zatím nepracuje. Je možné, že by se to poprvé podařilo na oběžné dráze?

O tom, jak a proč funguje jaderná fúze, víme dnes hodně (viz infobox s vysvětlením na konci článku). Faktem ovšem je, že všechny dosavadní vážně míněné pokusy o využití fúze jako energie počítají s velmi složitými – a také velmi velikými – zařízeními. Jinak si dnes reálně nedokáže většina fyziků představit, jak učinit fúzi „ziskovou“: tedy jak v takovém fúzním zařízení vyrobit více energie, než si pro svůj pohon vezme ze zásuvky. Ale zařízení Orbitron společnosti Avalanche by se teoreticky mělo vejít na stůl.

Jak to má dělat? Zdroj by měl pracovat na principu tzv. inerciální elektrostatické fúze. To není v oboru vůbec nová myšlenka, vlastně se na ní pracovalo v USA i v bývalém Sovětském svazu už v 50. letech. Ovšem většina odborníků tento princip brzy opustila jako nepříliš slibný.

V podstatě jde zařízení, které se ve své nejjednodušší podobě skládá ze dvou (víceméně) kulovitých mřížek. Jedna je nabitá kladně, druhá záporně. Mezi nimi a kolem nich krouží nabité částice (elektrony a ionty). Ionty se pohybem od vnější k vnitřní mřížce urychlují a uvnitř vnitřní mřížky se pak sráží. Stejně jako jiná fúzní zařízení, i toto je tedy jakási „past“ na nabité částice s velkou energií.

Částice v této pasti se mohou po jistou dobu pohybovat a během té doby se srazit s jinou částicí za uvolnění energie. Princip je dobře vidět na podomácku vyrobených zařízeních tohoto typu. Ke slučování jader dochází v největší míře tam, kde nejvíce „svítí“.

Problémem principu vždycky byl špatný poměr mezi spotřebou a výrobou. Zařízení prostě nejsou dost účinná. „Past“ udrží ionty jen velmi krátkou dobu, než z ní uniknou. I když se částice srazí, mnohem častěji se od sebe ionty prostě odrazí. A buď vyletí z pasti, nebo minimálně přijdou o svou energii (která se jim předtím musela dodat) a svůj „fúzní potenciál“: při příští srážce už prostě nemají dost energie na to, aby mohly překonat odpor jádra druhého atomu.

„V důsledku je tak energetická bilance hluboce záporná,“ říká fyzik Slavomír Entler, který se fúzí zabývá. Jinak řečeno, podobná zařízení mnohem více energie spotřebují, než vyrobí.

To neznamená, že jsou úplně k ničemu. Mohou sloužit například jako zdroj částic (neutronů) s určitými vlastnostmi. Ale neslouží k výrobě energie. „Proud částic (včetně tzv. fúzních neutronů), který produkují, obsahuje o mnoho řádů méně energie, než kolik zařízení spotřebuje k provozu,“ říká Slavomír Entler.

Avalanche Energy tvrdí, že problém vyřeší. Má mít vlastní, samozřejmě patentové, řešení, jak problém nízké účinnosti vyřešit. Je založeno na práci fyzika Toma McGuirea, který na tomto typu fúze pracoval v první dekádě 21. století na univerzitě MIT.

McGuire experimentoval s různými podobami oněch nabitých mřížek, které tvoří „past“ na nabité částice. Ve svých simulacích objevil (alespoň tedy na papíře) zajímavé konfigurace. S některými by podle jeho výsledků doba, po kterou je možné částice udržet v „pasti“, šla prodloužit až tisíckrát proti běžnému standardu. Další možností je doplnění magnetických cívek okolo „pasti“, jejichž magnetické pole zakřiví dráhy nabitých částic, a prodlouží tak dobu jejich udržení v pasti.

Přitom platí, že čím delší dobu částice v reaktoru stráví, tím větší je pravděpodobnost, že se „spojí“ s jinou a dojde k uvolnění energie. Jinak řečeno, pokud budou mít obě elektrody správný tvar, bude celé zařízení mnohem účinnější – říkají tedy alespoň McGuierovy simulace. I tak by mělo zařízení více energie spotřebovávat než vyrábět, ale mělo by být výrazně efektivnější.

McGuire se po dokončení studií přestal tématu věnovat. Pracuje ve vývojové divizi společnosti Lockheed Martin, kde vyvíjí vlastní koncept jiného fúzního zařízení. O tom mimochodem v roce 2014 firma v tiskové zprávě prohlásila, že bude k dispozici do deseti let, takže se těšíme na rok 2024…

Odložená práce mladého fyzika ovšem přitáhla pozornost dvou zaměstnanců společnosti Blue Origin. Ta patří Jeffu Bezosovi a vyvíjí prostředky pro dopravu do vesmíru: tedy rakety a kosmické lodě. Pánové Robin Langtry a Brian Riordan v roce 2018 založili Avalanche Energy jako „vedlejšák“. V roce 2021 pak z Blue Origin odešli a začali se svému projektu věnovat naplno.

Společnost byla prakticky neviditelná, veřejnosti se představila letos v březnu. V té době měla 10 zaměstnanců a pět milionů dolarů od investorů (soukromých investic do fúze v době dnes už končícího start-upového boomu obecně hodně přibylo). Jak si ale všiml časopis IEEE Spectrum, oficiálně ovšem stále firma sídlí na adrese jednoho rodinného domu v Seattlu.

Vraťme se ovšem k jejímu (zatím hypotetickému) produktu. Langtry a Riordan si podali patentovou přihlášku, která obsahuje alespoň základní informace o tom, jak by mohl jejich Orbitron fungovat. Popisuje zařízení o velikosti řádově desítek centimetrů, kde svazek obíhá po eliptické dráze kolem vnitřní elektrody.

Společnost tvrdí, že chce vyrábět malé fúzní „bloky“ s výkonem 5 až 15 kilowattů, které by fungovaly buď samostatně, nebo se daly skládat do velkých zdrojů s výkonem třeba i megawattů. Americkou armádu lákají v tuto chvíli primárně menší zdroje, které by mohly posloužit pro pohon kosmických lodí. My jen dodejme, že pokud by na tvrzení firmy něco bylo, využití by se jistě našlo podstatně více.

Požadovaných výkonů má zařízení dosáhnout díky dalším vylepšením McGuierovvých simulovaných výsledků. Podle přihlášky má „palivo“ – tedy do systému dodávané ionty – vydržet v pasti řádově jednotky sekund, než vyletí ven. Simulace mladého vědce provedené na MIT hovořily o udržení maximálně řádově na desetiny sekundy.

Zda je takové zlepšení možné, nelze pouze na základě patentové přihlášky říci. Ovšem Slavomír Entler je skeptický: „Je nepravděpodobné, že by jakékoliv patentované řešení mohlo zlepšit udržení částic v pasti natolik, aby se podařilo dosáhnout dostatečného fúzního výkonu.“

Upozorňuje zároveň na další problém zdroje, který komplikuje jeho případné nasazení v letectví a kosmonautice. Takovýto fúzní reaktor totiž není úplně „čistý“. Při jeho provozu mohou vznikat částice s vysokými energiemi (rychlé neutrony), které postupně degradují materiál uvnitř reaktoru i v jeho v okolí. Kolik jich je, to záleží na použitém „palivu“. Bohužel směs, která se nejlépe „zapaluje“ (tedy kombinace deuteria a tritia), jich produkuje hodně.

Při provozu by reaktor produkoval také záření, včetně rentgenového. Tomu lze těžko zabránit, protože bude vznikat během nevyhnutelných srážek iontů „paliva“ jak mezi sebou, tak s konstrukcí reaktoru. „Zařízení se tedy neobejde bez stínění, a to nejspíše masivního,“ říká Slavomír Entler. U pohonu určeného pro vesmírná plavidla je ovšem hmotnost navíc samozřejmě velkou nevýhodou.

Na vyřešení těchto a dalších problémů nemá Avalanche Energy mnoho času. Jak jsme již uváděli, grant by měl vést k vypuštění prototypu zařízení v roce 2027. Že by se za tu dobu podařilo vyřešit problémy, které se nepodařilo vyřešit za posledních 70 let, se zdá být, mírně řečeno, velmi optimistické.