DARPA, agentura pro pokročilé výzkumné projekty amerického ministerstva obrany, uzavřela v rámci výzkumného programu Rads to Watts smlouvu v hodnotě 3,37 mil. USD s univerzitou Morgan State University v Marylandu a jejím externím týmem na dodávku jaderných mikroenergetických systémů nové generace pro extrémní prostředí. Na vývoji se podílejí společnosti Northrop Grumman, PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) a startup Project Omega.
Fiktivní kosmická loď poháněna radiovoltaickými články o výkonu kilowattů (články, které přeměňují záření přímo na elektřinu). Využití radiovoltaiky by umožnilo kosmickým plavidlům cestovat do vysoce radioaktivních oblastí vesmíru, které jsou pro kosmické lodě jinak poháněné citlivými solárními panely nepřístupné © DARPA / Alan Clarke
Americký Rads to Watts (R2W) je výzkumný program a série grantových smluv spadající pod americkou agenturu DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), jehož cílem je vyvinout a ověřit novou třídu radiovoltaických (nebo též radiačních) technologií, které dokážou přeměnit energii z radioaktivního rozpadu nebo jaderné radiace přímo na využitelnou elektrickou energii (watty) s vysokou hustotou pro extrémní prostředí. Tato iniciativa spojuje přední odborné znalosti z průmyslu, akademické obce a národních laboratoří s cílem vyvinout pokročilé radiovoltaické systémy schopné dodávat dlouhodobou a bezúdržbovou energii tam, kde selhávají konvenční energetická řešení.
Konečným výsledkem budou systémy navržené pro provoz po celá desetiletí bez doplňování paliva, což umožní trvalé napájení vesmírných systémů, dálkového průzkumu Země, podmořské infrastruktury a obranných aplikací. Systémy budou pracovat také v extrémních teplotách, což je výhodné při vojenských operacích využívajících bezpilotní systémy v náročných podmínkách. Velké pozornosti se proto těší vývoj dronů s novou baterií a také kosmických lodí s novým pohonem.
Program spojuje přední odborné znalosti z průmyslu, akademické obce a národních laboratoří s cílem vyvinout pokročilé radiovoltaické systémy schopné dodávat dlouhodobou a bezúdržbovou energii tam, kde selhávají konvenční energetická řešení.
Ústředním bodem výzkumu a vývoje je „nanosystém s vysokou hustotou výstupu na bázi stroncia a yttria s vícenásobnými spoji a pinovými spoji pro extrémní prostředí“ SYMPHONEE (strontium-yttrium multi-junction pin-based high-density output nano-system for extreme environments), projekt jaderné mikroelektrárny nové generace, jehož cílem je přeměnit energii z radioizotopů, jako je stroncium-90, přímo na elektřinu.
Program R2W se zaměřuje na vývoj nové třídy radiovoltaických zařízení, která výrazně zvyšují hustotu výkonu, což je množství energie vyrobené na hmotnost zařízení, měřené ve wattech na kilogram (W/kg). Dosažení vysoké hustoty výkonu při zachování dlouhé provozní životnosti může otevřít nové možnosti.
Odborný tým v laboratoři PNNL vyvíjí architektury zařízení navržené tak, aby odolaly vysokoenergetickému záření a zároveň si zachovaly účinnost. Kombinací ultratenkých polovodičových vrstev s vysokoenergetickými izotopy emitujícími beta-záření je systém navržen tak, aby výrazně zlepšil výkon a odolnost. Systém využívá izotopy získané z recyklovaného jaderného paliva nebo jaderného odpadu z doby studené války a jeho cílem je dosáhnout výrazně vyšší hustoty výkonu než tradiční radiovoltaické technologie.
Energie ze záření
„Naším cílem je proměnit to, co bylo historicky považováno za odpad, ve strategické energetické aktivum,“ řekl Dr. Stafford Sheehan, generální ředitel a zakladatel startupu Project Omega. „Naše koncepce jasně demonstruje, jak mohou získané izotopy napájet kritické systémy po celá léta, aniž je nutné řešit logistiku pravidelné výměny baterií. Solární články přímo přeměňují sluneční světlo na elektřinu, ty naše přímo přeměňují záření na elektřinu.“
Project Omega označuje své radioizotopové zdroje energie jako minigenerátory, jež nahrazují tradiční baterie. „Některá z těchto malých zařízení už máme v provozu. Ta, která jsou speciálně navržena tak, aby splňovala požadavky DARPA, budou uvedena na trh začátkem příštího roku.“
Project Omega je jaderná energetická společnost zaměřená na uzavření jaderného palivového cyklu a uvolnění hodnoty použitého jaderného paliva. Vyvíjí technologie pro regeneraci kritických izotopů a poskytuje škálovatelná, dlouhodobá energetická řešení pro obranné a komerční aplikace.
„Napájecí články by mohly být použity v jakékoli aplikaci, kde vybití baterie způsobí velký problém,“ řekl Stafford Sheehan. Jedním z příkladů jsou satelity: dojde-li k výpadku napájení, ztratí se i celý satelit, pokud není k dispozici záložní zdroj. Radioizotopové energetické systémy se proto používají již celá desetiletí. Poločas rozpadu stroncia-90 je asi 28,8 roku. To umožňuje bateriím poskytovat stabilní a nepřetržitý výkon po dlouhou dobu bez nutnosti dobíjení. Project Omega však doufá, že nové baterie najdou uplatnění v daleko větší míře, neboť využívají jaderný odpad.
V USA je v současnosti v provozu 94 jaderných reaktorů v 54 jaderných elektrárnách. Dosud se ve Spojených státech nahromadilo přibližně 90 000 až 95 000 t vyhořelého jaderného paliva. Toto množství každoročně roste o 2 000 t. Protože zatím nebylo zprovozněno trvalé hlubinné úložiště, je většina tohoto paliva skladována přímo v areálech elektráren. Federální vláda je každoročně žalována o miliardy dolarů jen proto, že se s jaderným odpadem nevypořádala.
„Naším posláním je proměnit to, co bylo historicky považováno za odpad, ve strategické energetické aktivum,“ řekl Dr. Stafford Sheehan, generální ředitel a zakladatel Project Omega.
Klíčové výzvy
Nyní se vývojový program zaměřuje na snižování technických rizik a testování výkonu systému v reálných podmínkách. Mezi klíčové výzvy patří zlepšení účinnosti přeměny energie, ověření dlouhodobé spolehlivosti, řízení radiačních účinků a zajištění bezpečné manipulace a nasazení.
Společnost Northrop Grumman vede v rámci programu simulace a analýzy odolnosti, aby zajistila, že tyto systémy budou fungovat v náročných podmínkách, včetně vesmíru. Pomocí pokročilého modelování řízeného umělou inteligencí a vysoce výkonných výpočtů urychluje optimalizaci návrhu a umožňuje rychlé reakce napříč složitými konfiguracemi materiálů a zařízení.
„Trvalý výkon je základním požadavkem pro obranné systémy nové generace a tento program se snaží poskytovat odolná a dlouhodobá energetická řešení, která mohou fungovat tam, kde tradiční systémy nemohou,“ řekl Matt Hicks, ředitel pro testování ve společnosti Northrop Grumman. Toto úsilí se zaměřuje na postupné zlepšování hustoty výkonu, s cílem vytvořit systémy schopné dodávat smysluplný elektrický výstup z kompaktních zdrojů s dlouhou životností. První modelování naznačuje potenciál pro splnění a překročení cílů programu v oblasti specifického výkonu a hustoty energie, což otevírá dveře zcela novým možnostem misí.