Ako rádioizotopové termoelektrické generátory poháňajú vesmírne sondy miliardy kilometrov od Slnka

Jadrové batérie, ktoré skúmajú vesmír

Viac ako 24 miliárd kilometrov od Zeme, Voyager 1 naďalej posiela dáta domov z medzihviezdneho priestoru – takmer päť desaťročí po svojom vypustení v roku 1977. Žiadny solárny panel by nemohol fungovať tak ďaleko od Slnka. Namiesto toho sa sonda spolieha na rádioizotopový termoelektrický generátor (RTG), zariadenie často nazývané „jadrová batéria“, ktoré premieňa teplo z rádioaktívneho rozpadu na elektrickú energiu. RTG poháňali viac ako dve desiatky amerických vesmírnych misií za posledného polstoročia a zostávajú jedinou osvedčenou technológiou na skúmanie vonkajšej slnečnej sústavy.

Ako RTG funguje

Princíp je elegantne jednoduchý. RTG obsahuje jadro z plutónia-238, izotopu, ktorý generuje intenzívne teplo, keď sa jeho atómy prirodzene rozpadajú. Toto teplo prúdi von cez sústavu termočlánkov – párov rôznych polovodičových materiálov spojených v dvoch spojoch. Keď je jeden spoj horúci (v blízkosti plutónia) a druhý je studený (smerom do vákua vesmíru), teplotný rozdiel poháňa elektrický prúd, jav známy ako Seebeckov jav.

Neobsahuje žiadne pohyblivé časti, žiadne turbíny, žiadne čerpadlá. Nič, čo by sa malo mazať, nič, čo by sa mohlo zaseknúť. Táto mechanická jednoduchosť je dôvodom, prečo RTG môžu fungovať desaťročia bez údržby – čo je kľúčová vlastnosť, keď je najbližšia opravovňa miliardy kilometrov ďaleko.

Prečo plutónium-238?

Nie je vhodný len taký hocijaký rádioaktívny materiál. Plutónium-238 má polčas rozpadu 87,7 roka, čo znamená, že uvoľňuje teplo dostatočne pomaly na to, aby vydržalo desaťročia, ale dostatočne intenzívne na to, aby bolo užitočné. Vyžaruje predovšetkým častice alfa, ktoré sa dajú ľahko tienené a predstavujú minimálne radiačné riziko po zapuzdrení. Podľa Ministerstva energetiky USA, Pu-238 sa čistí a zapuzdruje v Národnom laboratóriu Los Alamos za prísnych bezpečnostných protokolov. RTG nikdy nespôsobili nehodu vesmírnej sondy.

Úspechy naprieč slnečnou sústavou

RTG debutovali vo vesmíre v roku 1961 na palube navigačnej družice Transit 4A. Odvtedy poháňali mimoriadny zoznam misií:

• Pioneer 10 a 11 – prvé sondy k Jupiteru a Saturnu (40 wattov každá)
• Viking 1 a 2 – prvé úspešné pristávacie moduly na Marse
• Voyager 1 a 2 – jediné vesmírne sondy v medzihviezdnom priestore (158 wattov každá pri vypustení)
• Cassini – 13 rokov obiehania Saturnu (292 wattov)
• New Horizons – misia s preletom okolo Pluta
• Curiosity a Perseverance – marťanské vozidlá používajúce novší Multi-Mission RTG (MMRTG), ktorý poskytuje približne 110 wattov, keď je čerstvo natankovaný

Ďalšou misiou NASA poháňanou RTG je Dragonfly, rotorové pristávacie zariadenie smerujúce na Saturnov mesiac Titan.

Pomalé slabnutie

RTG nie sú nesmrteľné. Rozpad plutónia-238 neustále znižuje tepelný výkon a materiály termočlánkov sa časom degradujú. Generátory Voyagera 1, ktoré pri vypustení dodávali približne 470 wattov, teraz produkujú približne dve tretiny z toho – strácajú približne 4 watty ročne. Inžinieri v Jet Propulsion Laboratory NASA reagovali systematickým vypínaním prístrojov, aby udržali vesmírnu sondu pri živote. Aktívne zostali len dva vedecké prístroje: senzor plazmových vĺn a magnetometer.

„Stále fungujú skvele a posielajú späť dáta z oblasti vesmíru, ktorú nikdy predtým neskúmala žiadna ľudská sonda,“ povedal Kareem Badaruddin, manažér misie Voyager v JPL.

Čo bude nasledovať

Inžinieri vyvíjajú plán s názvom „Veľký tresk“ – simultánna výmena viacerých napájaných komponentov za alternatívy s nižším výkonom – ktorý by mohol predĺžiť vedeckú misiu Voyagera do 30. rokov 21. storočia. Medzitým NASA navrhuje RTG novej generácie, ktoré sú schopné produkovať viac ako 250 wattov, čím zabezpečuje, že budúce sondy k ľadovým obrom, oceánskym mesiacom a ďalej si ponesú vlastný spoľahlivý zdroj energie do tmy.