Nemá zmysel hľadať „iné“ planéty, pokiaľ nedokážeme nájsť svoju vlastnú

Prednášal na mochovských Science Talks o úlohe jadrovej energie v prieskume vesmíru. Je kritický k tomu, ako ľudia drancujú vlastnú planétu. Jadrový fyzik, ktorému je práca aj koníčkom. Docent Pavol Valko zo Slovenskej technickej univerzity v Bratislave.

Dobývanie vesmíru neprestáva ľudí lákať ani dnes. Momentálne sa často hovorí o Marse a o súkromných cestách na túto „červenú planétu“. Je reálne, aby ľudia „kolonizovali“ Mars?
Dopraviť človeka na Mars a späť, je z pohľadu súčasnej techniky úplne reálne a je to len otázka dostupnosti finančných zdrojov. Kolonizácia Marsu je ale úplne iný problém. Pod pojmom „kolónia“ si predstavujem takú skupinu ľudí, ktorá bude na mieste pobytu sebestačná aspoň z pohľadu získavania vody a potravy a dokázala by na Marse prežiť aspoň niekoľko rokov. Pri počte „osadníkov“ cca 1 000 jedincov vychádzajú náklady len na dopravu na Mars niekam k úrovni vojenského rozpočtu všetkých superveľmocí po dobu desaťročia, nehovoriac o nákladoch na dlhodobú udržateľnosť života na ňom. Preto považujem plány „kolonizácie“ Marsu za úplne nereálne za súčasného stavu vecí na Zemi (aj na Slovensku). Reálne sa stanú, až keď ľudstvo prestane mrhať zdrojmi Zeme na žabomyšie konflikty, čo bohužiaľ asi tak skoro nehrozí.

Je riešením problémov na Zemi odchod ľudí na inú planétu? Stephen Hawking nedávno na diskusii v Oxforde predpovedal ľudstvu už len 1 000 rokov života na tejto planéte, pokiaľ nenájdeme inú. Máme ju vôbec hľadať a osídliť?
Pojem „iná planéta“ je scestný. Okrem Marsu nemáme žiadnu inú možnosť (planétu), kde by sme mali aspoň teoretickú šancu existovať ako živé bytosti v našej súčasnej podobe (biológii). Niektoré mesiace veľkých planét (Európa, Titan…) sú tiež lepšou alternatívou, ako Merkúr alebo Venuša. Planéty pri iných hviezdach sú pre ľudstvo zatiaľ úplne nedosiahnuteľné.
Predpovede o počte rokov „prežitia“ ľudstva na Zemi sú rovnako zbytočné. Mohutnosť Zeme ako planéty v sebe skrýva dostatok energie na to, aby globálne zemetrasenia (supersopky) spôsobili vyhynutie človeka ako živočíšneho druhu do jedného roku (resp. menej, ako desať). Podobne Slnko a iné vesmírne procesy (výtrysky koronárnej hmoty, supernovy, gama vzbĺknutia) nás môžu „zlikvidovať“ ešte oveľa rýchlejšie. Z histórie známe globálne vyhynutia (dinosaurov atď.) sú dnes už menej pravdepodobné, pretože väčšinu nebezpečne veľkých telies približujúcich sa k Zemi dnes už sledujeme a tie, ktoré nás môžu prekvapiť, môžu spôsobiť síce ohromné, ale nie globálne katastrofy.
Úplne inou otázkou je však vplyv činnosti (spôsob existencie) človeka na Zemi. Spôsobom, ako dnes drancujeme historicky akumulované zdroje Zeme, sa sami posúvame na hranu svojej existencie. Globálny trend otepľovania nás neustále posúva bližšie ku hrane vzniku nekontrolovateľného skleníkového javu, bez ohľadu na to, či súvisí priamo, alebo len nepriamo s našou existenciou. Veľmi chúlostivá rovnováha energetickej bilancie Zeme je príliš zložitý problém pre našu dnešnú úroveň poznania, aby sme vedeli relevantne vypočítať, či naša existencia na Zemi nebude možná o tisíc alebo desaťtisíc rokov. Nemá zmysel hľadať „iné“ planéty, pokiaľ nedokážeme nájsť (pochopiť) svoju vlastnú.

Je energia ukrytá v atómových jadrách reálne uplatniteľná pri kozmických letoch?
Energia uložená v atómových jadrách je rovnaká energia ako každá iná. Je len oveľa „koncentrovanejšia“, ako chemická energia bežného paliva, alebo elektrická energia nabitého kondenzátora. Je preto logické, že jadrová energia má uplatnenie pri kozmických letoch, ale len tam, kde to je efektívne (vhodné).

Prečo sa nedá využiť jadrová energia pri vynášaní rakiet na obežnú dráhu Zeme?
Súčasné nosné rakety majú štartovaciu hmotnosť v rozmedzí 100 až 3 000 ton. Tomu zodpovedá ťah motorov 1 až 30 MN. Za predpokladu použitia najefektívnejších motorov a palív, tomu zodpovedá spotreba paliva a okysličovadla na úrovni 300 až 9000 kg/s. Berúc do úvahy typické spalné teplo paliva a palivovú kombináciu, dostávame rozsah tepelných výkonov motorov prvých stupňov od 5 do 150 GW. Tieto hodnoty mnohonásobne prevyšujú tepelné výkony aj najväčších energetických jadrových reaktorov – neberúc do úvahy ich vlastnú hmotnosť (úsmev).

Bežne sa ale využívajú rádioizotopové termoelektrické generátory (RTG). Tam sa využíva štiepenie jadier plutónia-238. Na aké aplikácie však postačuje energia získaná týmto štiepením? Aká je životnosť týchto „nukleárnych batérií“?
Plutónium-238 má poločas rozpadu 87,7 roka. To znamená, že každých 87,7 rokov poklesne primárna tepelná výdatnosť zdroja na polovicu. V závislosti od konkrétnej realizácie konverzie tepelnej energie (tepla) na použiteľnú formu, je použiteľná životnosť podobného zdroja ďalej znížená vplyvom degradácie prvkov podieľajúcich sa na konverzii. V typickom prípade jednoduchých bimetalických termočlánkov je táto degradácia skoro zanedbateľná a životnosť je potom určená len okamihom, keď energetické nároky družice (sondy) presiahnu energetickú výdatnosť zdroja, klesajúcu v zmysle rozpadového zákona.

Laicky nám napadá, na čo treba získavať energiu vo vesmíre, keď máme Slnko – odpusťte tento neodborný názor. Keď študujeme hlbšie, zisťujeme, že aj fotovoltaika vo vesmíre má svoje limity. Prečo je tomu tak?
Limity použitia fotovoltaiky vychádzajú z faktu, že intenzita svetla od Slnka klesá so vzdialenosťou kvadraticky. Zatiaľ, čo v okolí Zeme dopadá na každý štvorcový meter približne 1,4 kW energie v podobe elektromagnetického žiarenia od Slnka, z ktorého sa dá vygenerovať cca 500 W elektrickej energie (účinnosť konverzie sa môže výrazne líšiť pre rôzne typy panelov), v okolí Marsu je to už je len 600 W/m2. Na zisk rovnakého množstva energie potrebujeme v okolí Marsu 2,2-krát väčšie fotovoltaické panely, ktoré sú minimálne rovnako krát (2,2x) ťažšie. V ešte väčších vzdialenostiach od Slnka sa tento pomer ďalej prudko zhoršuje a je neefektívne (až nemožné) vyniesť do kozmu také veľké a ťažké fotovoltaické panely. Praktickým limitom ako ďaleko sa dajú použiť fotovoltaické zdroje, je približne vzdialenosť obežnej dráhy Jupitera (5 AU).

Mnoho ľudí má iracionálny strach pred žiarením, a často sa nezmyselne boja mierového využitia jadrovej energie – na výrobu elektriny. Na Zemi sú bežné otázky o bezpečnosti atómových elektrární. Ako je to s bezpečnosťou jadrovej energie vo vesmíre? Čo by sa stalo, keby došlo k poškodeniu RTG napríklad pri havárii nosnej rakety?
Istá obava z používania jadrovej energie, aj na mierové účely, vôbec nie je iracionálna. Spôsob, ako sa jadrová energia v súčasnosti využíva, vychádza z viac ako 75 rokov starej schémy, ktorá nevyhnutne produkuje aj nezanedbateľné množstvá rádioizotopov s veľmi dlhými poločasmi rozpadu (napr. Tc-99, I-129), ktorých bezpečné uskladnenie je a zostane netriviálnym problémom. Pri potrebe uskladnenia na dobu presahujúcu 100 000 rokov nás nutne napadá otázka, či si ľudstvo bude vôbec pamätať, kde budú uložené (kto si dnes spomenie v Taliansku, kadiaľ vedú olovené rúrky z doby rímskej ríše?). Ďalším dôvodom na obavy je intelektuálna kvalita personálu pôsobiaceho dnes v jadrovej energetike v celosvetovom meradle (žiaden súčasný riadiaci pracovník ľubovoľnej jadrovej elektrárne nedisponuje ani tretinou intelektuálneho potenciálu E. Fermiho). Využitie jadrovej energie v kozmickom priestore je rovnako kontroverzné, zvlášť v prípadoch miniatúrnych jadrových reaktorov, ktoré dnes (v počte 30 kusov) ako neriadené (nefunkčné) umelé družice obiehajú Zem na stredných obežných dráhach s dobou životnosti rádovo tisíc rokov. Ak počas tejto doby nebudú prijaté žiadne opatrenia, tieto družice spolu s reaktormi zaniknú v atmosfére a spôsobia rozsiahlu kontamináciu v okolí miesta dopadu (viď prípad družice Kozmos-954 v roku 1978). RTG zdroje založené na izotope Pu-238 sú v tomto ohľade oveľa bezpečnejšie. Jediné riziko hrozí v prípade katastrofálneho zlyhania nosnej rakety pri štarte, ktoré je v značnej časti eliminované konštrukciou schránky zdroja samotného (mala by vydržať podobné zlyhanie), aj formou samotného žiariča (nerozpustný oxid plutoničitý). Alfa charakter rozpadu plutónia-238 ho s už spomínaným 87,7-ročným poločasom rozpadu konvertuje na izotop uránu U-234, čo je bežne sa vyskytujúci izotop, vznikajúci (aj zanikajúci) pri postupných premenách v rámci rozpadového radu najbežnejšieho izotopu uránu U-238.

Čo Vás, osobne, viedlo venovať sa téme, ako môže jadrová energia poslúžiť pri prieskume vesmíru? Je to Vaša práca, alebo tak trochu aj hobby?
Ako vyštudovaný jadrový fyzik a dlhoročný (celoživotný) obdivovateľ leteckej a kozmickej techniky mám k podobnej tematike veľmi blízko. Samotná téma jadrovej energie v kozme je však pre mňa len hobby, keď mojim primárnym zamestnaním je vzdelávanie v oblasti základnej fyziky.

Foto: Archív P.V.