Lepší radioizotopové zdroje se skutterudity

Základním druhem pohonu výprav po Sluneční soustavě je solární energie. Jak jsme se nedávno přesvědčili díky misi Rosetta a Juno, solárními panely již dokážeme pohánět mise až po dráhu Jupiteru a s dalším vývojem bychom se možná dostali až k Saturnu. Nejvzdálenější mise a sondy letící za dráhu Neptunu, stejně jako speciální mise na povrchu Marsu je ale výhodnější osadit radioizotopovým termoelektrickým generátorem (RTG). Jedny z posledních kilogramů plutonia využije marsovské vozítko chystané pro rok 2020. V současné době víme, že NASA již obnovila produkci plutonia, které je pro RTG potřeba a tak nehrozí, že by další mise, například k Uranu, neměly případně dost paliva. Vývoj se však nezastavil a tak to vypadá, že s využitím nových materiálů se podaří zvýšit výkon nové generace RTG zdrojů.

NASA oznámila pokrok ve vývoji tzv. eMMRTG zdroje (Enhanced Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator = Vylepšený radioizotopový generátor pro více misí). Za nejmodernějšími zdroji stojí využití speciálních materiálů nazvaných skutterudity [skut-te-ru-dity].

Připomeňme krátce, co jsou RTG zdroje. Pojem radioaktivní izotop nám bude patrně známý ze školy a označuje takový prvek, který se samovolně rozpadá a my říkáme, že je radioaktivní. Jakmile se jádro takového těžkého prvku (jako je uran nebo plutonium) rozpadne, nová jádra se rozletí a jejich pohybová energie se při jejich zastavení mění na teplo. Navíc je uvolňováno radioaktivní záření. Teplo jsme schopni využívat pro ohřívání důležitých částí sondy, stejně jako k výrobě elektrické energie. V současných RTG zdrojích využívá NASA oxid plutonia-238.

První testovací družice s RTG zdrojem startovala již v roce 1961. Nejznámějšími průzkumníky s tímto zdrojem jsou pak nepochybně sondy Voyager (start v roce 1977), nebo aktuální robotické vozidlo na povrchu Marsu Curiosity a New Horizons za Plutem. Právě díky radioizotopovému zdroji dodnes posílají Voyagery alespoň základní data o svém okolí zpět na Zemi, ačkoli jsou již asi 20 miliard km od nás (cca 133 au = více než stokrát dál, než obíhá Země kolem Slunce).

Sabah Buxová, technoložka JPL, ukazuje pec sloužící pro vývoj termoelektrických materiálů. Zdroj: NASA/JPL-Caltech

Sabah Buxová, technoložka JPL, ukazuje pec sloužící pro vývoj termoelektrických materiálů. Zdroj: NASA/JPL-Caltech

V porovnání se současným zdrojem MMRTG, jaký má Curiosity, se očekává u nového zdroje o 25 % vyšší účinnost díky pomalejší degradaci skutteruditů. Podle simulací by sonda osazená eMMRTG měla mít po 17 letech životnosti o 50 % více energie, než současná mise. To by mělo ušetřit množství plutonia a zároveň o něco prodloužit délku mise budoucích sond.

Skutterudity jsou materiál se stejnou vodivostí, jako kovy, ale zahřívají se podobně, jako sklo. Podobných materiálů nenajdeme mnoho. Například měď je výborný elektrický vodič, ale velmi rychle se zahřívá (což se jinak hodí k chlazení počítačových komponent). Na druhé straně sklo je dobrý tepelný izolant, ale jak víme, nevede elektřinu. Takové materiály tedy nejsou vhodné pro generátory, kde se teplo mění v elektřinu. Potřebujete zkrátka vhodný vysokoteplotní materiál s rozumnou tepelnou a elektrickou vodivostí. Právě to splňují skutterudity, které jsou složeny z těžkých kovů, jako je například antimon.

Lidé v JPL se nyní snaží přeměnit skutterudity na termoelektrické články. Ty slouží k přeměně tepelné energie na elektrickou. Děje se tak díky teplotnímu rozdílu mezi jednotlivými komponentami uvnitř. Skutterudity poskytují dobré termoelektrické vlastnosti i při menším rozdílu teplot. To je právě klíčem k vyšší účinnosti budoucích RTG zdrojů.

Když se podíváme například na zdroj, který ma Curiosity, tak zde najdeme 738 termoelektrických článků ze slitiny telluru kolem centrální struktury tvaru plechovky, kde je produkováno teplo. Vylepšený eMMRTG zdroj bude velmi podobný a má obsahovat stejný počet termoelektrických článků ze skutteruditů.

Vývoj nových zdrojů má za sebou první milník, když NASA koncem roku 2015 schválila jejich další vývoj. Pokud půjde jejich další ověřování dobře, měly by první takové zdroje sloužit k pohonu nových misí v rámci programu New Frontiers („nové hranice“). Cena těchto sond nesmí přesáhnout 700 miliónů dolarů a patří sem i mise již běžící, jako je Juno, New Horizons a OSIRIS-Rex.

Výfukové potrubí. Zdroj: imgur

Výfukové potrubí. Zdroj: imgur

Vědci neopomínají ani využití skutteruditů na Zemi. Například v aplikacích, kde je zbytečně plýtváno unikajícím teplem by se daly využít k výrobě elektrické energie. Vlastnosti nových syntetických skutteruditů zkoumají také v laboratoři docenta Čestmíra Drašara Ústavu aplikované fyziky a matematiky Univerzity Pardubice. Nové materiály pro termoelektrické generátory zkoumají společně s odborníky ze Společné laboratoře chemie pevných látek Akademie věd ČR a Univerzity Pardubice. Představte si například, že by se takto generovala elektřina v oblasti výfukového potrubí automobilu (tedy v případě, že nás dříve nepřeválcují elektromobily). Uplatnění by našly i ve sklářském a keramickém průmyslu. necháme se tedy překvapit, jak to s nimi dopadne, ale i aktuální využití v kosmickém průmyslu je určitě perfektní nápad.

Zdroje informací:
http://www.jpl.nasa.gov/
http://www.rozhlas.cz/

Zdroje obrázků:
http://www.jpl.nasa.gov/images/technology/20161013/tech20161013-16.jpg
http://www.jpl.nasa.gov/images/technology/20161013/tech20161013b.jpg
http://i.imgur.com/oqMfthD.jpg

Lepší radioizotopové zdroje se skutterudity, 2.5 out of 5 based on 38 ratings
Pin It
(Visited 2 528 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 2.5/5 (38 votes cast)
(Visited 2 528 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.


38 komentářů ke článku “Lepší radioizotopové zdroje se skutterudity”

  1. Rudolf Šíma napsal:

    Skvělý článek. Díky. Docela bych si o přímé přeměně tepla na el. energii přečetl v češtině více (anglicky se trápím). Kdybyste někdo věděl o zdroji, tak předem děkuji. Na oplátku dávám tip na zásoby 34t plutonia. 🙂
    https://www.novinky.cz/zahranicni/evropa/416408-moskva-pozastavila-platnost-dohody-s-usa-o-likvidaci-plutonia.html

    • Tomach napsal:

      Nojo, ale bohuzel neni Plutonium jako Plutonium. Pu 239 ma polocas rozpadu pres 24 tisic let a pouziva se prave v jadernych zbranich.
      Pu 238 ma polocas rozpadu jen 87 let a pouziva se v RTG. Z toho take vyplyva ze se neda moc dlouho skladovat – zasoby z dob zacatku studene valky by ted moc uzitecne nebyly (na rozdil od Pu 239).
      Nejsem jaderny fyzik, takze nemuzu mluvit jiste, ale mam takovy dojem ze z Pu 239 udelat Pu 238 bude hooodne tezke, ne li nemozne. Jednodussi asi bude ho vyrobit klasicky v reaktoru. A i to neni jednoduche – tusim planuji produkci zhruba 1kg za rok.

      • Rudolf Šíma napsal:

        Můj tip na zásoby plutonia nebyl míněn vážně, ale díky. Mám trochu povědomí o výrobě Pu 239, o Pu 238 vím jen to, čím jste mě přávě obohatil. Snad jen, že podle čísla předpokládám, že není použitelné v štěpném reaktoru. 🙂

  2. Upozornění, že plutonium 238 není plutonium 239 už tady bylo. Jinak s tou výrobou nového plutonia 238 je to zatím hodně špatné (jen velmi malé množství). Na cesty větších sond k hranicím sluneční soustavy to asi stačit nebude. Ani v případě, kdy se využijí efektivnější termoelektrické články. Podrobněji o současném stavu jsem psal článek pro časopis Vesmír: http://ojs.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/sondy/Plutonium_Vesmir_final.htm
    a Astropis:
    http://ojs.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/sondy/Plutonium_Astropis.htm .
    Efektivnější by při přeměně tepla na elektřinu byly i Stirlingovi motory, ty se také v NASA vyvíjely a plynové turbíny (ty se však hodí pro větší zdroje).

    • Rudolf Šíma napsal:

      To opuštění vývoje Stirlingových motorů mi přijde těžko uvěřitelné, když se ví, že jsou účinnější než termočlánky. Máte pro to nějaké vysvětlení? Hraje v tom roli nespolehlivost mechanické konstrukce? Díky.

      • gg napsal:

        Ne, jako obvykle je to mnohem jednodušší – politici chtěli „ušetřit“ peníze. :-p

        • Rudolf Šíma napsal:

          Není divu. Jak silný elektorát představují příznivci kosmonautiky? 🙂 Netroufám si říct, že činí špatně. Nemáme-li dost příležitostí k využití ………..

    • Rudolf Šíma napsal:

      Vy to vlastně v článku z druhého odkazu uvádíte, že nevýhodou jsou pohyblivé části, ale přijde mi to divný důvod. Spalovací motor se také docela vymakal.

      • I ty Stirlingovi motory jdou vyšahat, ale přesto se nedá nikdy úplně vyloučit, že pohyblivá část selže. Hlavně v prvním období využívání, než se vychytají mouchy. Myslím ale, že hlavní důvod je opět nedostatek projektů kosmických sond, které by radionuklidové zdroje využívaly. Dokončení vývoje Stirlingova motoru tak bylo oceněno jako ne tak nutné a z finančních důvodů pozastaveno. Problém je také, že při malém počtu misí v následujících letech až desetiletích, se jejich výhody nestihnou tolik projevit a převažuje spíše riziko zavedení nového, ještě nevyzkoušeného zařízení, u kterého může trvat nějakou chvíli, než se vychytají mouchy. A při malém počtu misí nemusí být jejich počet po vychytání much dostatečný, aby kompenzoval oběti toho vychytávání.
        Technologie využití skutteruditu pro termoelektrickou přeměnu tepla v elektřinu byla oceněna jako vylepšení potenciálně jen s velmi malým rizikem a za malých finančních nákladů, které by nehrozilo ztrátami a vyplatí se i při malém počtu misí.

        • Martin Gembec napsal:

          Díky za dodatek. Myslel jsem, že stirlingův motor je stále uvažovaná budoucí technologie a že bude jednou využita. Necháme se tedy překvapit. On je ten budoucí vývoj někdy nečekaný.

        • Rudolf Šíma napsal:

          Díky moc. Takhle to dává smysl. Nemám představu, kde všude by se dal S. motor využít a zda by se tedy vývoj vyplatil.

  3. Formulace: „Jakmile se jádro takového těžkého prvku (jako je uran nebo plutonium) rozpadne, nová jádra se rozletí a jejich pohybová energie se při jejich zastavení mění na teplo. Navíc je uvolňováno radioaktivní záření.“ není moc vhodná. Jestliže záření alfa považujeme za radioaktivní záření, tak zůstává pouze jedno jádro. Použitá formulace by mohla být interpretována jako, že jde o samovolné štěpení. K tomu sice dochází i u plutonia a uranu, ale s extrémně malou pravděpodobností. Zmíněný rozpad je však alfa rozpad, při kterém se emituje záření alfa (což jsou jádra helia, v tom je formulace o dvou jádrech v principu v pořádku) a ještě v různé míře doprovodné záření gama vznikající deexcitaci vzniklého dceřiného jádra. Nejvíce energie nese alfa částice a ta hlavně produkuje to teplo.

    • Martin Gembec napsal:

      Mám z podobných příspěvků ohromnou radost. Při psaní článku jsem si bohužel neuvědomil, že by v tomto případě mohlo jít o alfa rozpad a neověřil si to. Je to zbytečná chyba, ale o to je cennější, když to tu alespoň někdo fundovaný vysvětlí a já si mohu jen sypat popel na hlavu a být rád, že si to ujasníme.

      • Hlavně si nesypte moc 🙂 Váš článek je moc pěkný. A jen kdo nic nepíše, nedopustí se nepřesnosti. Já už jsem jich udělal. A od toho diskuse jsou, abychom si věci vyjasnili a doplnili. Těším se na další Vaše články.

  4. maro napsal:

    Fíha. To skoro vypadá, že budeme jezdit elektromobily, jejichž palivem budou dřevěné pelety, jako obnovitelný zdroj 🙂
    Spálené dřevo zahřívá termočlánky dodávající proud elektromotorům a dobíjející pomocnou baterii.

    • qqq napsal:

      Hmm,
      lépe bude nechat „ekologické“ peletky neekologicky doutnat a vzniklý dřevoplyn pak přímo využít ve spalovacím motoru… (méně ztrát při převodu mezi různými druhy energie 🙂
      q.

      • Racek napsal:

        qqq máte sice pravdu, ale příliš „úsporných“ ekotechnologií tuto jednoduchou pravdu nebere jaksi v úvahu. Příklady známe, třeba známá aféra českých solárů, kdy nákupní dotovaná cena byla taková, že by se vyplatilo odebírat proud z veřejné sítě a osvětlovat v noci instalované soláry … myslím dokonce, že byl někde u nás vyšetřován právě takový příklad..

  5. Vanda Coppeova napsal:

    Dekuji za nadherne clanky. Proc jste ale tak malo viditelni? Objevila jsem Vas jen nahodou! Dekuji Vanda

    • Dušan Majer napsal:

      Děkujeme Vám za pochvalu. Těší nás, že se Vám naše články líbí. Denně náš portál nasbírá okolo tří tisíc návštěv, máme z toho ohromnou radost. Nemáme nikde žádnou reklamu, takže se k nám dostanou lidé přes vyhledávače, nebo na doporučení od známého. O to víc nás těší, kolik lidí k nám chodí. Budeme se snažit i nadále pokračovat v započaté práci. Ještě jednou díky za moc hezký večer komentář.

  6. kolemjdoucí napsal:

    …zkratkou RTG se také označují zařízení pracující s rentgenovým zářením (elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10nm až 1pm využívané pro lékařská vyšetření, krystalografii, speciální astronomii, apod.), tedy využívající zcela jiné principy

    • Martin Gembec napsal:

      Vašemu komentáři se musím pousmát ve chvíli, kdy přímo u zkratky MMRTG uvádím, že RTG znamená radioizotopový termoelektrický generátor a dále pro zkrácení v článku píšu už jen RTG. To je běžná praxe. Pozorný čtenář nebyl uveden v omyl a alespoň se dověděl, že RTG má někdy i jiný význam.

      • kolemjdoucí napsal:

        Ano, to je dle zvyklostí. Také je ale docela dosti nepozorných, takže tam kde se to shoduje s jinou známou zkratkou je docela vhodné připsat (nebo říci) „, ale pozor nezaměňovat za…“.
        Samozřejmě záleží komu je sdělení adresováno, zda spíše odborníkům nebo laikům, a jaký je jejich primární obor.

        PS: To co dokáží i někteří vysokoškoláci vypustit z úst svou nepozorností při studiu (třeba i na otázku na jaké bázi funguje nemocniční rentgen) raději komentovat moc nebudu… často ale odpověď obsahuje slovo „radioaktivní“.
        PSS: Pokud se nepletu, tak na vývoji materiálu pro TEG (termoelektrické generátory) na vesmírných sondách spolupracoval i jeden Čech.

  7. kolemjdoucí napsal:

    Účinnost RTG (Radioizotopový termoelektrický generátor) je uváděna cca 3~7%, tedy hodně nízká, ale generované teplo se u vesmírných sond používá i k jejich ohřevu (např. akumulátory i palivo pro korekční motory na bázi hydrazinu je třeba udržovat na teplotě vyšší než 2°C)
    Tady je docela zajímavý popis česky – http://vtm.e15.cz/jak-lze-ziskat-v-kosmu-energii-bez-slunce

  8. dolph1888 napsal:

    Snad vše dotáhnou do zdárného konce. K solárním panelům, je hezké, že je bude možné použít až k Saturnu, jenže v blízkosti velkých planet jsou bombardovány radiací a degradují mnohem rychleji než za běžných podmínek. RTG jsou roky ověřené držáky a jsou-li pochybnosti, může jich být na jedné sondě využito více / odděleně. Nezvýší se tím sice celková doba provozu (rozklad paliva), ale jištění určitě ano.

  9. trmo napsal:

    Promiňte že tahle otázka vybočuje z téma ale zajímalo by mě kolik kyslíku vyprodukuje tuna rostlin za den?

    • Dušan Majer napsal:

      To se asi ptáte na špatném místě, doporučil bych nějakou rostlinnou poradnu, případně Akademii věd. Ale řekl bych, že záleží na druhu rostlin, jejich stavu a podmínkách (osvětlení, množství vody a živin a podobně).

    • maro napsal:

      https://www.quora.com/How-much-oxygen-does-a-tree-produce
      1000kg strom kyslík produkuje i spotřebovává (v noci). Celkově ovšem je za rok v plusu a ten přebytek je podle této odpovědi asi 100 kg. Ovšem pokud už statný strom moc neroste a jen vytváří listy, které na podzim opadají a zase shnijí, je přínos kyslíku nula. Ten rozpad listí si ten kyslík vyrobený při jejich růstu, si ze vzduchu zase bere (zrovna jako kdybychom je spálili).

      • gg napsal:

        No ono je to pochopitelné; nelze donekonečna vytvářet kyslík, aniž bychom se nějak zbavili jeho „odpadu“ – tj. biomasy. (Tedy ne zbavili ve smyslu spálení nebo tak nějak, ale hotová biomasa nějak musí uvolnit místo pokračování onoho procesu syntézy. Stromy to třeba řeší tak, že produkují dřevo. 🙂 )

      • Vojta napsal:

        Strom produkuje listí, ale i plody a dřevo. Teprve až je to všechno snědeno, stráveno a rozloženo zpět na živiny vhodné pro jiné rostliny (nebo spáleno), je bilance na nule. Do té doby je rostlina s produkcí kyslíku výrazně v plusu.

        Pokud bychom uvažovali využití rostlin k produkci kyslíku na vesmírných stanicích, tak není úvodní otázka až tak mimo téma serveru (mimo téma článku o radioizotopových zdrojích už ano). Na produkci kyslíku ale máme efektivnější metody. Rostliny by mohly být zajímavé především pokud jde o recyklaci uhlíku a tedy pěstování potravin. Produkce kyslíku by byla jen příjemným vedlejším efektem. Jak na to, že koloběhu biogenních prvků nerozumíme natolik, abychom dokázali dlouhodobě provozovat úplně izolovaný ekosystém, ukázal projekt Biosféra 2 (biosphere2.org)

  10. Universe napsal:

    Zdravím, mockrát děkuji za zajímavý článek, jen mám dojem, že výraz „izotop plutonia 238“ není vhodný. Nahradil bych označení izotop za nuklid.

    • Martin Gembec napsal:

      Díky za info. Můžete se více rozepsat, co je na tom divně nebo špatně? Měl jsem za to že izotop je jádro (nuklid) prvku se stejným protonovým, ale odlišným nukleonovým číslem. Běžně se říká izotopy vodíku a proč by tedy třeba deuterium měl být nuklid a ne izotop?

      • Universe napsal:

        Nuklidem jsou myšleny atomy se stejným počtem protonů i neutronů (tedy prvek se stejným počtem neutronů). Jednotlivé nuklidy jednoho prvku se nazývají izotopy (například 235U a 238U) – tedy mají stejný počet protonů (jeden prvek), ale jiný počet neutronů (navzájem).

        Dle mého názoru se „izotop“ v jednotném čísle nedá použít (jde tedy o velmi častou chybu). Popřípadě lze ukázat na směs atomů prvku s různým počtem neutronů a říci, že jde o „izotop“.

        Pak tedy lze říci, že RTG využívá nuklid 238Pu (oxid nuklidu).

        „Běžně se říká izotopy vodíku a proč by tedy třeba deuterium měl být nuklid a ne izotop?“
        Sám jste napsal: „izotop je jádro (nuklid) prvku se stejným protonovým, ale odlišným nukleonovým číslem“ – Správná formulace by byla: nuklid je jeden z izotopů prvku, který má stejný počet protonů -((stále prvek)), ale odlišným nukleonovým číslem (tedy jiným počtem neutronů) vůči ostatním nuklidům -(zde může být i izotopům).

        Shrunuto:
        235U, 238U – jsou izotopy
        235U – je nuklid
        238U – je nuklid

        Možná si říkáte že 238U není nuklid, protože se liší počtem neutronů -(vůči ostaním např.: 235U), jenže tímto ho porovnáte s jiným nuklidem, a tím se OPRAVDU bude lišit počtem neutronů, a tudíž jsou NAVZÁJEM izotopy. Jenže porovnání 238U a 238U -(jsou stejní) se ničím neliší, tudíž je to nuklid a ne izotop! — to stejné platí pro izotopy vodíku.

        Takže se musí lišit počtem neutronů ve smyslu porovnání mezi sebou ( deuterium 2H nemám s čím porovnat, pak je to tedy nuklid.)

        „Izotopy“ je souhrn nuklidů téhož prvku a každý z nich má jiný počet neutronů. Pak výraz (JEDEN) izotop nedává smysl, protože by zaujímal jen jeden nuklid – nešel by zapsat jedinným číslem. (možná jen jako směs – jak už jsem psal výše).

        Omlouvám se za dlouhý a možná chaotický text, ale doufám, že těchto několik definicí či tvrzení, pochopíte.
        Váš čtenář

        • Podle mého nemáte pravdu v tom, že se slovo izotop nedá používat v jednotném čísle. Pokud použiji Váš příklad, tak věty:
          235U je izotop uranu
          238U je také izotop uran
          jsou plně košer. To, kdy použijete slovo izotop nebo nuklid a jestli v jednotném či množném čísle závisí na kontextu a tom, co říci potřebujete.

        • Martin Gembec napsal:

          Já myslím, že to nevyřešíme. Za prvé podle vás chybné pojmenování se běžně používá a to i napříč vysokými školami, jak jsem si mezitím ověřil. Za druhé si protiřečí vaše dvě věty, tak je jako příklad nesmyslnosti této diskuze připomenu:

          Nuklidem jsou myšleny atomy se stejným počtem protonů i neutronů (tedy prvek se stejným počtem neutronů).

          A proti tomu tato vaše věta

          Nuklid je jeden z izotopů prvku, který má stejný počet protonů -((stále prvek)), ale odlišným nukleonovým číslem (tedy jiným počtem neutronů)

          Měl byste si ujasnit, zda má nuklid stejný počet neutronů, jako protonů, nebo různý počet neutronů. Odborníci v tom mají zřejmě jasno, protože všude používají pojem nuklid pro něco, co odpovídá první definici (stejný počet protonů i neutronů).

          Jak říkám, my to nevyřešíme, evidentně na to neexistuje opora v odborné veřejnosti, která používá pojem izotop místo nuklid. To je v češtině běžné, že se něco vžije i když je to nesprávně. Napadá mě teď rychle třeba vteřina-sekunda.

  11. fo-ol napsal:

    vida, nikdy jsem nepremyslel nad tim jak se z RTG tepla ziskava elektrina, pritom bylo jasne ze nejucinnejsi zpusob ktery zname (parni stroj) to nebude 🙂
    d‘

Zanechte komentář