Budou létat sondy s parním strojem?

Odborníci NASA při přípravě nových kosmických experimentů dospěli k tomu, že je možné čerpat inspiraci z vynálezů minulých století. Nedávno začali uvažovat o malém jaderném reaktoru, který by mohl být využit v konstrukci kosmických lodí. A jeho využití je postaveno na dvou vynálezech z 19. století.

Nákres Stirlingova motoru z patentové přihlášky

Prvním vynálezem je Stirlingův motor založený na principu opakovaného ohřívání a ochlazování plynu. Jeho autorem je skotský kněz Robert Stirling (25.10.1790 - 6.6.1878), který se snažil vytvořit bezpečný parní motor. V té době docházelo k častým explozím parních kotlů; příčinou byla špatná konstrukce nedostatečná údržba i nesprávné používání. Robert Stirling postavil bezpečný motor, jenž nepotřeboval vysokotlaký kotel, a dal si ho v roce 1816 patentovat (patent byl účinný od 20. ledna 1817).

Princip Stirlingova motoru je jednoduchý: vzduch v jednom válci je ohříván z vnějšího zdroje (solární energie, odpadní teplo, jaderný reaktor) a ve druhém válci je vzduch chlazen. Ve "studené části" je vzduch (nebo jiný plyn) stlačován a expanduje v "teplé" části, mezi oběma částmi je tzv. regenerátor, kterým střídavě prochází teplý a studený vzduch a v regenerátoru se buď ohřívá nebo ochlazuje. Tím umožňuje uchovat teplo v systému a zvyšuje účinnost motoru. Přítomnost regenerátoru odlišuje Stirlingův motor od jiných horkovzdušných motorů s uzavřeným cyklem. Existují dva typy Stirlingova motoru: první má dva písty ve dvou samostatných válcích - pracovní plyn se přesunuje z teplého válce do studeného a zpět; druhý typ má jeden válec se dvěma písty doplněný mechanickým přehaněčen, jenž zabezpečuje přesun vzduchu mezi studenou a teplou částí válce.

Bratr Roberta Stirlinga James motor v roce 1843 použil motor ve své továrně. Později se začal ve větším rozsahu používat, ale po zdokonalení parního stroje ve druhé polovině devatenáctého století se Stirlingův motor dále nerozvíjel a jeho význam upadal. Přesto ještě v roce 1906 katalog firmy Rider-Ericsson Engine ve svém katalogu píše, že tento motor může obsluhovat jakýkoliv domácí nebo zahradník a není potřeba žádný diplomovaný nebo zkušený technik. Stirlingovy motory byly na začátku 20. století nahrazeny elektromotory a uplatnění nacházely jen jako hračky.

Teprve kolem roku 1986 se začal opětovně vyvíjet spolehlivý Stirlingův motor. Návrhy společnosti Infinia používaly pružinová ložiska, volný píst a jako pracovní plyn bylo vybráno helium. Pracovní plyn je v hermeticky uzavřeném prostoru umožňuje nepřetržitý provoz po dobu více než 20 let. Proto NASA uvažuje o využití tohoto motoru, který by byl ohříván jaderným reaktorem s uranem při generování elektrické energie. (Vzhledem k nebezpečnosti se ustupuje od využívání plutonia v jaderných reaktorech pro kosmické sondy - jeden s polednich plutoniových zdrojů je na roveru Curiosity, který nyní pracuje na Marsu.) Získaná elektrická energie by byla využita nejen pro vědeckou aparaturu a systémy sondy, ale současně by mohla být využita ve vzdálených oblastech sluneční soustavy k zásobování energií iontových motorů.

Druhým vynálezem z konce 19. století je objev tepelného čerpadla. Jeho teoretickou podstatu vysvětlili už lord Kelvin (26.6.1824 - 17.12.1907) a Rudolf Clausius (2.1.1822 - 24.8.1888), zakladatelé termodynamiky. Ale první tepelné čerpadlo sestrojil Robert C. Webber až koncem čtyřicátých let 20. století - propojil výstup mrazáku s ohřívačem vody, neboť si víceméně náhodně všiml, že potrubí vedoucí kapalinu z mrazicího přístroje je horké.

A využití na kosmické sondě - chladicí obvod "studeného" pístu Stirlingova motoru bude díky tepelnému čerpadlu odevzdávat teplo pro jiné potřeby sondy. Vzhledem k tomu, že zařízení je velice jednoduché, nehrozí časté závady. Další vývoj, zejména využití efektu vzlínání, pak může přinést další zjednodušení takového tepelného čerpadla.