Mars Science Laboratory, som lanserades för tre dagar sedan på morgonen lördag 26 november, är för närvarande på väg till Röda planeten - en resa som kommer att ta nästan nio månader. När den anländer den första veckan i augusti 2012 kommer MSL att börja undersöka marken och atmosfären i Gale Crater och leta efter de svagaste antydningarna från tidigare liv. Och till skillnad från de tidigare rovers som körde på solenergi, kommer MSL att vara kärnkraftsdriven och generera sin energi genom sönderfallet av nästan 8 kilo plutonium-238. Detta kommer potentiellt att hålla nästa generations rover igång i flera år ... men vad kommer att driva framtida prospekteringsuppdrag nu när NASA inte längre kan finansiera produktionen av plutonium?
Pu-238 är en icke-vapenklassig isotop av det radioaktiva elementet, som används av NASA i över 50 år för att driva utforskning av rymdskepp. Voyagers, Galileo, Cassini ... alla hade radioisotop termoelektriska generatorer (RTG) som genererade kraft via Pu-238. Men ämnet har inte varit i produktion i USA sedan slutet av 1980-talet; alla Pu-238 har sedan dess producerats i Ryssland. Men nu finns det bara tillräckligt kvar för ett eller två fler uppdrag och 2012 års budgetplan tilldelar ännu inte finansiering för Energidepartementet för att fortsätta produktionen.
Var kommer framtida bränsle komma ifrån? Hur kommer NASA att driva sin nästa serie robotutforskare? (Och varför är inte fler människor bekymrade över det här?)
Amatörastronom, lärare och bloggare David Dickinson gick i detalj om detta problem i en informativ artikel skriven tidigare i år. Här är några utdrag från hans inlägg:
________________
När vi lämnar vår rättvist planet är massan allt. Utrymme som en hård plats måste du ta med dig nästan allt du behöver, inklusive bränsle. Och ja, mer bränsle betyder mer massa, betyder mer bränsle, betyder ... ja, du får idén. En väg runt detta är att använda tillgänglig solenergi för kraftproduktion, men det fungerar bara bra i det inre solsystemet. Ta en titt på solpanelerna på rymdfarkosten Juno som kommer till Jupiter nästa månad ... de sakerna måste varaenorm för att dra nytta av det relativt svaga solvattnet som finns tillgängligt ... det är allt på grund av vår vän den omvända fyrkantiga lagen som reglerar allt elektromagnetiskt, inklusive ljus.
Att arbeta i omgivningarna tilldjuputrymme, du behöver en pålitlig strömkälla. För att sammansätta problem måste alla potentiella ytoperationer på månen eller Mars kunna utnyttja energi under långa perioder med solfri drift; en månpost skulle till exempel möta nätter som är ungefär två jordveckor lång. För detta ändamål har NASA historiskt använt Radioisotop Termiska generatorer (RTG) som ett elektriskt "kraftverk" för långsiktiga rymduppdrag. Dessa ger en lätt, långsiktig bränslekälla som genererar från 20-300 watt el. De flesta handlar om storleken på en liten person, och de första prototyperna flög på rymdskeppet Transit-4A & 5BN1 / 2 i början av 60-talet. Pioneer, Voyager, New Horizons, Galileo och Cassini rymdskepp alla sport Pu238 drivna RTG: er. Rymdskeppet Viking 1 och 2 hade också RTG, liksom de långsiktiga Apollo Lunar Surface Experiment Package (ALSEP) experiment som Apollo astronauter placerade på månen. Ett ambitiöst återvändandeuppdrag till planeten Pluto föreslogs till och med 2003 som skulle ha använt en liten kärnmotor.
Video: hur är plutonium egentligen?
David fortsätter att nämna de obestridliga farorna med plutonium ...
Plutonium ärotäck grejer. Det är en stark alfa-emitter och en mycket giftig metall. Vid inandning utsätter den lungvävnaden för en mycket hög lokal strålningsdos med risken för cancer. Om det intas samlas vissa former av plutonium i våra ben där det kan skada kroppens blodbildande mekanism och vraka förödelse med DNA. NASA hade historiskt sett en chans till ett misslyckande med att starta rymdskeppet New Horizons vid 350-till-1 mot, vilket även då inte nödvändigtvis skulle spränga RTG och släppa ut de innehållande 11 kilo plutoniumdioxiden i miljön. Provtagning som utfördes runt den södra Stilla havet viloplats för den ovannämnda Apollo 13 LM återinträde av uppstigningssteget i Lunar Module, till exempel, antyder att återföringen av RTG INTE sprängde behållaren, eftersom ingen plutoniumförorening någonsin har hittats .
Ändå överskuggar farorna med kärnkraft ofta dess relativa säkerhet och otänkbara fördel:
De svarta svanhändelserna som Three Mile Island, Tjernobyl och Fukushima har tjänat till att demonisera alla nukleära saker, ungefär som uppfattningen att 19thårhundradet medborgare hade elektricitet. Tänk inte på att koleldade anläggningar lägger många gånger motsvarigheten till radioaktiv förorening i atmosfären i form av bly210polonium214, torium- och radongaser,varje dag. Säkerhetsdetektorer vid kärnkraftverk utlöses ofta under temperaturinversioner på grund av koldioxidutsläpp i närheten ... strålning var en del av vår miljö redan före kalla kriget och är här för att stanna. För att citera Carl Sagan, "Rymdresa är en av de bästa användningarna av kärnvapen som jag kan tänka på ..."
Ändå är vi här, med ett klart slut i sikte på leveransen av kärnvapen "som behövs för att driva rymdresor ...
För närvarande står NASA inför ett dilemma som kommer att sätta en allvarlig dämpning vid yttre solsystemutforskning under det kommande decenniet. Som nämnts står nuvarande plutoniumreserver tillräckligt för Mars Science Laboratory Curiosity, som kommer att innehålla 4,8 kg plutoniumdioxid och en sista stora och kanske ett litet yttre solsystemuppdrag. MSL använder en ny generation MMRTG (”MM” står för Multi-Mission) designad av Boeing som kommer att producera 125 watt i upp till 14 år. Men produktionen av nytt plutonium skulle vara svårt. Omstart av plutoniumförsörjningslinjen skulle vara en lång process och kanske tar ett decennium. Andra kärnkraftsbaserade alternativ finns verkligen, men inte utan straff varken i låg termisk aktivitet, flyktighet, produktionskostnad eller kort halveringstid.
Konsekvenserna av denna faktor kan vara dystra för både bemannade och obemannade rymdresor till det yttre solsystemet. I motsats till vad den senaste decadalundersökningen för planeterlig undersökning 2011 föreslår, kommer vi att ha tur att se många av de ambitiösa ”Battlestar Galactica”- utformning av yttre solsystemuppdrag kommer att ske.
Landare, blimps och submersibles på Europa, Titan och Enceladus kommer alla att fungera väl utanför Suns domän och kommer att behöva nämnda kärnkraftverk för att få jobbet gjort ... kontrast detta med Europeiska rymdorganisationens Huygens-sond, som landade på Titan efter att ha varit släpptes från NASA: s Cassini-rymdskepp 2004, som arbetade under knappt timmar med batterikraft innan de gav efter för -179,5 ° C-temps som representerar en trevlig lugn dag på Saturnusmånen.
Så vad är en rymdfarande civilisation att göra? Visst, alternativet "inte går ut i rymden" är inte det vi vill ha på bordet, och varp eller snabbare än ljuset driver a la varje dålig science fiction-flick är ingenstans i den omedelbara framtiden. Enligt [min] starkt åsikt har NASA följande alternativ:
Utnyttja andra RTG-källor med straff. Som nämnts tidigare existerar andra nukleära källor i form av Plutonium, Thorium och Curium-isotoper och kan tänkas införlivas i RTG: er; alla har dock problem. Vissa har ogynnsamma halveringstider; andra släpper för lite energi eller farliga penetrerande gammastrålar. Plutonium238 har hög energiproduktion under en märkbar livslängd, och dess alfa-partikelutsläpp kan lätt hållas.
Designa nyskapande ny teknik.Solcells teknik har kommit långt under de senaste åren, vilket gör att utforskning ut till Jupiters bana är kapabel med tillräckligt med uppsamlingsområde. Den plockigaAnda ochMöjlighet Mars-rovers (som innehöll Curium-isotoper i sina spektrometrar!) Gjorde det bra förbi sina respektive garantidatum med solceller, och NASA: s rymdskepp från Dawn för närvarande kretsar kring asteroiden Vesta sportar en innovativ jon-drivande teknik.
Tryck för att starta om plutoniumproduktionen. Återigen är det inte så troligt eller till och med genomförbart att detta kommer att ske i dagens ekonomiskt fastspända miljö efter det kalla kriget. Andra länder, till exempel Indien och Kina, vill "kärna" för att bryta deras beroende av olja, men det skulle ta lite tid för varje plundonium som kommer ner i lanseringen. Dessutom är kraftreaktorer inte bra producenter av Pu238. Den dedikerade produktionen av Pu238 kräver antingen reaktorer med högt neutronflöde eller specialiserade "snabba" reaktorer specifikt utformade för produktion av isotoper av trans-uran ...
Baserat på verkligheten i kärnmaterialproduktion finansieringsnivåerna för Pu238 produktionsstart är skrämmande små. NASA måste lita på DOE för den infrastruktur och kunskap som krävs och lösningar på problemet måste passa verkligheten inom båda myndigheterna.
Och det är den dystra verkligheten i en modig ny plutoniumfri värld som står inför NASA; kanske kommer lösningen att komma som en kombination av några eller alla ovanstående. Det kommande decenniet kommer att vara full av kris och möjligheter ... plutonium ger oss ett slags Promethean-avtal med dess användning; vi kan antingen bygga vapen och döda oss själva med det, eller så kan vi ärva stjärnorna.
Tack till David Dickinson för användningen av hans utmärkta artikel; läs hela versionen på hans Astro Guyz-webbplats här (och följ David på Twitter @astroguyz.) Kolla också in denna artikel av Emily Lakdawalla från The Planetary Society om hur RTG-enheten för nyfikenhet gjordes.
"Det finns vissa människor som legitimt känner att detta helt enkelt inte är en prioritering, att det inte finns tillräckligt med pengar och det är inte deras problem. Men jag tror att om du försöker gå tillbaka och titta på skogen och inte bara de enskilda träden, är detta en av de saker som har hjälpt oss att bli ett teknologisk kraftcenter. Vad vi har gjort med robotutforskning är något som människor inte bara i USA, utan runt om i världen kan se upp till. ”
- Ralph McNutt, planetforskare vid Johns Hopkins Universitys Applied Physics Laboratory (APL)
(Toppbildkredit © 2011 Theodore Gray periodictable.com; används med tillstånd.)
