Mars Science Laboratory, joka laukaistiin kolme päivää sitten lauantaiaamuna, 26. marraskuuta, on tällä hetkellä matkalla Punaiselle planeetalle – matkaan, joka kestää lähes yhdeksän kuukautta. Kun se saapuu elokuun 2012 ensimmäisellä viikolla, MSL alkaa tutkia maaperää ja ilmakehää Gale-kraatterissa etsiäkseen hämärimpiä vihjeitä menneestä elämästä. Ja toisin kuin aiemmat aurinkoenergialla toimivat mönkijät, MSL tulee olemaan ydinvoimalla. tuottaa sen energiaa lähes 8 kilon plutonium-238:n hajoamisen kautta. Tämä saattaa pitää seuraavan sukupolven roverin käynnissä vuosia… mutta mikä ruokkii tulevia tutkimusmatkoja nyt, kun NASA ei ehkä enää pysty rahoittamaan plutoniumin tuotanto?
Pu-238 on radioaktiivisen alkuaineen ei-aseluokan isotooppi, jota NASA on käyttänyt yli 50 vuoden ajan tutkimusavaruusalusten polttoaineena. Voyagers, Galileo, Cassini… kaikilla oli radioisotooppitermosähköiset generaattorit (RTG:t), jotka tuottivat tehoa Pu-238:n kautta. Mutta ainetta ei ole ollut tuotannossa Yhdysvalloissa 1980-luvun lopun jälkeen; kaikki Pu-238 on sittemmin valmistettu Venäjällä. Mutta nyt on jäljellä enää vain yksi tai kaksi tehtävää ja vuoden 2012 budjettisuunnitelma ei vielä myönnä rahoitusta Energiaministeriö jatkaa tuotantoa.
Mistä tulevaisuuden polttoaine tulee? Miten NASA tehostaa seuraavaa robottimatkailijavalikoimaansa? (Ja miksi ihmiset eivät ole huolissaan tästä?)
Amatööritähtitieteilijä, opettaja ja bloggaaja David Dickinson käsitteli tätä ongelmaa yksityiskohtaisesti tiedotteessa artikla kirjoitettu aiemmin tänä vuonna. Tässä muutamia otteita hänen viestistään:
_________________
Kun lähdet reilulta planeetalta, massa on kaikki kaikessa. Koska avaruus on ankara paikka, sinun on tuotava mukanasi lähes kaikki tarvitsemasi, myös polttoaine. Ja kyllä, enemmän polttoainetta tarkoittaa enemmän massaa, tarkoittaa enemmän polttoainetta, tarkoittaa… no, ymmärrät idean. Yksi tapa kiertää tämä on käyttää käytettävissä olevaa aurinkoenergiaa sähköntuotantoon, mutta tämä toimii hyvin vain sisäisessä aurinkokunnassa. Katso ensi kuussa Jupiteriin matkaavan Juno-avaruusaluksen aurinkopaneeleja… näiden asioiden on oltavavaltavavoidaksemme hyödyntää sen käytettävissä olevaa suhteellisen heikkoa aurinkotehoa… tämä kaikki johtuu ystävästämme käänteisestä neliöstä, joka hallitsee kaikkea sähkömagneettista, valo mukaan lukien.
Curiosityn MMRTG (noin 15 tuumaa korkea.) Kiitos: NASA / Frankie Martin
Toimimaan ympäristössäsyvätilaa, tarvitset luotettavan virtalähteen. Ongelmien pahentamiseksi kaikkien mahdollisten Kuun tai Marsin pintaoperaatioiden on kyettävä käyttämään energiaa pitkiä aikoja ilman aurinkoa. Kuun etuvartio joutuisi kohtaamaan yöt, jotka ovat esimerkiksi noin kaksi Maan viikkoa pitkiä. Tätä tarkoitusta varten NASA on historiallisesti käyttänyt Radioisotooppilämpögeneraattorit (RTG) sähköisenä 'voimalaitoksena' pitkäaikaisiin avaruustehtäviin. Nämä tarjoavat kevyen, pitkän aikavälin polttoaineenlähteen, joka tuottaa 20-300 wattia sähköä. Useimmat ovat noin pienen ihmisen kokoisia, ja ensimmäiset prototyypit lensivät Transit-4A- ja 5BN1/2-avaruusaluksilla 60-luvun alussa. Pioneer, Voyager, New Horizons, Galileo ja Cassini-avaruusalukset ovat kaikki pu238moottorikäyttöiset RTG:t. Viking 1- ja 2-avaruusaluksissa oli myös RTG:t, samoin kuin pitkän aikavälin Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) -kokeet, jotka Apollo-astronautit sijoittivat Kuuhun. Kunnianhimoinen näytepalautus tehtävä Pluto-planeetalle ehdotettiin jopa vuonna 2003, joka olisi käyttänyt pientä ydinmoottoria.
Video: millaista plutonium todella on?
Hehkuva plutoniumkakku. (Energiaministeriö)
David mainitsee edelleen plutoniumin kiistattomat vaarat…
Plutonium onilkeätavaraa. Se on voimakas alfasäteilijä ja erittäin myrkyllinen metalli. Hengitettynä se altistaa keuhkokudoksen erittäin suurelle paikalliselle säteilyannokselle, johon liittyy syöpäriski. Nieltynä jotkin plutoniumin muodot kerääntyvät luihimme, jolloin se voi vahingoittaa kehon verenmuodostusmekanismia ja tuhota DNA:n. NASA oli historiallisesti arvioinut New Horizons -avaruusaluksen epäonnistumisen mahdollisuudeksi 350-1, mikä ei silloinkaan välttämättä rikkoisi RTG:tä ja vapauttaisi sen sisältämää 11 kiloa plutoniumdioksidia ympäristöön. Esimerkiksi näytteenotto, joka tehtiin Etelä-Tyynenmeren lepopaikan ympärillä edellä mainitusta Apollo 13 LM:n palaamisesta Kuumoduulin nousuvaiheeseen, viittaa siihen, että RTG:n paluu EI rikkonut säiliötä, koska plutoniumkontaminaatiota ei ole koskaan löydetty. .
Ydinvoiman vaarat kuitenkin usein varjostavat sen suhteellisen turvallisuuden ja erehtymättömän hyödyn:
The musta joutsen tapahtumat, kuten Three Mile Island, Tšernobyl ja Fukushima, ovat demonisoineet kaiken ydinvoiman, aivan kuten näkemys, että 19.thvuosisadan kansalaisilla oli sähköä. Älä välitä, että hiilivoimalat tuovat ilmakehään monta kertaa vastaavan määrän radioaktiivista saastumista lyijyn muodossa.210, polonium214, torium- ja radonkaasut,joka päivä. Ydinvoimaloiden turvailmaisimet laukeavat usein lämpötilan inversioiden aikana läheisten hiilivoimaloiden päästöjen vuoksi… säteily oli osa ympäristöämme jo ennen kylmää sotaa ja on tullut jäädäkseen. Carl Sagania lainatakseni: 'Avaruusmatkailu on yksi parhaista ydinaseiden käyttötavoista, joita voin ajatella...'
Silti täällä ollaan, avaruusmatkoissa tarvittavien ydinaseiden toimittamiselle on selvä loppu.
Tällä hetkellä NASA:lla on edessään dilemma, joka vaimentaa voimakkaasti ulkoisen aurinkokunnan tutkimusta tulevalla vuosikymmenellä. Kuten mainittiin, nykyiset plutoniumvarat riittävät Marsin tiedelaboratorio Curiosity, joka sisältää 4,8 kiloa plutoniumdioksidia ja viimeisen suuren ja ehkä yhden pienen ulkoisen aurinkokunnan tehtävän. MSL käyttää Boeingin suunnittelemaa uuden sukupolven MMRTG:tä ('MM' tarkoittaa Multi-Mission), joka tuottaa 125 wattia jopa 14 vuoden ajan. Mutta uuden plutoniumin tuotanto olisi vaikeaa. Plutoniumin syöttölinjan uudelleen käynnistäminen olisi pitkä prosessi ja kestää ehkä vuosikymmenen. Muita ydinpohjaisia vaihtoehtoja on todellakin olemassa, mutta ei ilman rangaistusta alhainen lämpöaktiivisuus, haihtuvuus, tuotantokustannukset tai lyhyt puoliintumisaika.
Tämän tekijän vaikutukset voivat olla synkät sekä miehitetylle että miehittämättömälle avaruusmatkalle ulompaan aurinkokuntaan. Verrattuna siihen, mitä tuore 2011 Decadal Survey for Planetary Exploration ehdottaa, olemme onnekkaita nähdessämme monia noista kunnianhimoisista 'Battlestar Galactica” –tyyliset ulkoisen aurinkokunnan tehtävät toteutuvat.
Landers, täplät Europan, Titanin ja Enceladuksen vedenalaiset alukset toimivat kaikki hyvin Auringon ulkopuolella ja tarvitsevat mainitut ydinvoimalat tehdäkseen työnsä… vastakohtana tämä Euroopan avaruusjärjestön kanssa. Huygens luotain, joka laskeutui Titaniin päästyään NASAn Cassini-avaruusaluksesta vuonna 2004, joka toimi niukkoja tunteja akkuvirralla ennen kuin antautui -179,5 C° lämpötiloihin, jotka edustavat mukavaa leutoa päivää Saturnuksen kuussa.
Joten mitä avaruudessa kulkevan sivilisaation voi tehdä? Varmasti 'ei mene avaruuteen' -vaihtoehto ei ole sellainen, jota haluamme pöydälle, ja loimi tai Faster-Than-Light ajaa a la jokainen huono tieteisleffa ei ole missään lähitulevaisuudessa. [Minun] erittäin mielipiteisenä näkemykseni mukaan NASAlla on seuraavat vaihtoehdot:
Hyödynnä muita RTG-lähteitä rangaistuksella. Kuten aiemmin mainittiin, muita ydinlähteitä plutonium-, torium- ja curium-isotooppien muodossa on olemassa, ja niitä voitaisiin ajateltaessa sisällyttää RTG:iin; kaikilla on kuitenkin ongelmia. Joillakin on epäsuotuisat puoliintumisajat; toiset vapauttavat liian vähän energiaa tai vaarallisia läpäiseviä gammasäteitä. Plutonium238sillä on korkea energiateho koko huomattavan käyttöiän ajan, ja sen alfahiukkaspäästöt voidaan helposti hillitä.
Suunnittele innovatiivisia uusia tekniikoita.Aurinkokennoteknologia on edennyt pitkälle viime vuosina, joten Jupiterin kiertoradan tutkiminen on ehkä mahdollista riittävällä keräysalueella. NäyttäväHenkijaTilaisuusmaaliskuuta roverit (jotka sisälsivät Curium-isotooppeja spektrometreissään!), jotka on tehty pitkälle takuupäivänsä jälkeen aurinkokennoilla, ja NASAn Dawn-avaruusalus, joka kiertää tällä hetkellä asteroidia Vestaa, käyttää innovatiivista ionikäyttötekniikkaa.
Käynnistä plutoniumin tuotanto uudelleen painamalla.Jälleen kerran, ei ole niin todennäköistä tai edes mahdollista, että tämä toteutuisi nykypäivän taloudellisesti vaikeuksissa olevassa kylmän sodan jälkeisessä ympäristössä. Muut maat, kuten Intia ja Kiina, pyrkivät 'ydinvoimaan' katkaistakseen riippuvuutensa öljystä, mutta kestäisi jonkin aikaa ennen kuin valuva plutonium saavuttaisi laukaisualustan. Myös voimareaktorit eivät ole hyviä Pu:n tuottajia238. Oma tuotanto Pu238vaatii joko korkean neutronivuon reaktoreita tai erikoistuneita 'nopeita' reaktoreita, jotka on erityisesti suunniteltu trans-uraani-isotooppien tuotantoon…
Ydinmateriaalituotannon realiteettien perusteella Pu:n rahoitustasot238tuotannon uudelleenkäynnistys ovat pelottavan pieniä. NASAn on luotettava DOE:hen tarvittavan infrastruktuurin ja tiedon saamiseksi, ja ongelman ratkaisujen on vastattava molempien virastojen todellisuutta.
Ja tämä on urhean uuden plutoniumittoman maailman synkkä todellisuus, joka kohtaa NASAn. ehkä ratkaisu tulee joidenkin tai kaikkien edellä mainittujen yhdistelmänä. Seuraava vuosikymmen tulee olemaan täynnä kriisejä ja mahdollisuuksia… plutonium antaa meille eräänlaisen Promethean-kaupan sen käytöstä; voimme joko rakentaa aseita ja tappaa itsemme niillä, tai voimme periä tähdet.
Kaavio RTG:stä. (Lähde: The Encyclopedia of Science)
Kiitos David Dickinsonille hänen erinomaisen artikkelinsa käytöstä; muista lukea koko versio hänen Astro Guyz -sivustollaan täällä (ja seuraa Davidia Twitterissä @astroguyz .) Tutustu myös tämän artikkelin kirjoittaja Emily Lakdawalla Planetary Societyn julkaisusta, kuinka Curiosityn RTG-yksikkö tehtiin.
'Jotkut ihmiset kokevat oikeutetusti, että tämä ei yksinkertaisesti ole prioriteetti, että rahaa ei ole tarpeeksi eikä se ole heidän ongelmansa. Mutta luulen, että jos yrität astua taaksepäin ja katsoa metsää etkä vain yksittäisiä puita, tämä on yksi niistä asioista, joka on auttanut meitä saavuttamaan teknologian voimanpesän. Se, mitä olemme tehneet robottiavaruustutkimuksen kanssa, on jotain, jota ihmiset eivät vain Yhdysvalloissa, vaan kaikkialla maailmassa voivat katsoa ylös.'
– Ralph McNutt, planeettatieteilijä Johns Hopkinsin yliopiston Applied Physics Laboratorysta (APL)
( Top image credit © 2011 Theodore Gray periodictable.com ; käytetty luvalla.)