Slutet på NASA: s plutoniumbrist kan vara i sikte. Måndag 18 marsth, NASA: s planeringsvetenskapliga chef Jim Green meddelade att produktionen av Plutonium-238 (Pu-238) av Förenta staternas energidepartement (DOE) för närvarande är i testfas som leder till en omstart av fullskalaproduktion.
"I slutet av kalenderåret har vi en fullständig plan från energidepartementet för hur de kommer att kunna uppfylla vårt krav på 1,5 till 2 kg per år." Green sa vid 44th Lunar och Planetary Science Conference hålls i Woodlands, Texas den senaste måndag.
Den här nyheten kommer ingen för snart. Vi har tidigare skrivit om den kommande Plutoniumbristen och de konsekvenser det har för framtida utforskning av djup rymden. Solenergi är tillräckligt i de flesta fall när du utforskar det inre solsystemet, men när du vågar ut bortom asteroidbältet behöver du kärnkraft för att göra det.
Produktionen av isotopen Pu-238 var en lycklig följd av det kalla kriget. Först producerades av Glen Seaborg 1940, och isotopen av plutonium (-239) av vapenkvalitet produceras via bombardering av neptunium (som i sig är en förfallsprodukt av uran-238) med neutroner. Använd samma målisotop av Neptunium-237 i en snabb reaktor, och Pu-238 är resultatet. Pu-238 producerar 280x gånger sönderfallsvärmen vid 560 watt per kilogram jämfört med vapenkvalitet Pu-239 och är idealisk som en kompakt energikälla för utforskning av djupa rymden.
Sedan 1961 har över 26 amerikanska rymdskepp lanserats som bär Multi-Mission Radioisotop Termoelektriska generatorer (MMRTG, eller tidigare bara RTG) som kraftkällor och har utforskat varje planet utom Merkurius. RTG: er användes av Apollo Lunar Surface Experiment Package (ALSEP) vetenskapliga nyttolaster som astronauterna på månen lämnade kvar, och Cassini, Mars Curiosity och New Horizons går ut för att utforska Pluto i juli 2015 är alla kärnkraftsdrivna.
Plutoniumdrivna RTG: er är endast teknik som vi för närvarande använder som kan utföra djup rymdutforskning. NASA: s Juno-rymdskepp kommer att vara den första som når Jupiter 2016 utan användning av en kärnkraftsdriven RTG, men det kommer att behöva använda 3 enorma 2,7 x 8,9 meter stora solpaneler för att göra det.
Problemet är att plutoniumproduktionen i USA upphörde 1988 med slutet av det kalla kriget. Hur mycket Plutonium-238 NASA och DOE har lagrat klassificeras, men det har spekulerats att det som mest har tillräckligt för ett mer stort Flag Ship Class-uppdrag och kanske ett litet uppdrag för Scout-klass. Dessutom, när vapenklass plutonium-239 har tillverkats, finns det ingen ombearbetning av den önskade Pu-238-isotopen. Plutoniet som för närvarande driver nyfikenhet över Marsytan köptes från ryssarna, och den källan slutade 2010. New Horizons är utrustad med en reserv MMRTG som byggdes för Cassini, som lanserades 1999.
Som en extra bonus överskrider plutoniumdrivna uppdrag ofta också förväntningarna. Till exempel hade Voyager 1 & 2-rymdskeppet en ursprunglig uppdragstid på fem år och förväntas nu fortsätta långt in i deras femte decennium av verksamheten. Mars Curiosity lider inte av frågorna om "dammiga solpaneler" som plågat Anden och möjligheten och kan fungera genom den långa Martian vintern. För övrigt, även om and- och möjlighetsrovers inte var kärnkraftsdrivna, de gjorde använder små pellets av plutoniumoxid i sina leder för att hålla sig varma, såväl som radioaktivt curium för att tillhandahålla neutronkällor i deras spektrometrar. Det är till och med möjligt att all främmande intelligens snubblar på de fem rymdfarkoster som flyr från vårt solsystem (Pioneer 10 & 11, Voyagers 1 & 2 och New Horizons) kan tänkas datera sin avgång från jorden genom att mäta förfallet från deras plutoniumkraftkälla. (Pu-238 har en halveringstid på 87,7 år och försvinner så småningom efter övergången genom en lång serie av dotterisotoper till bly-206).
Den nuvarande produktionen av Pu-238 kommer att genomföras på Oak Ridge National Laboratory (ORNL) med hjälp av sin High Flux Isotoop Reactor (HFIR). "Gamla" Pu-238 kan också återupplivas genom att lägga till nytillverkade Pu-238 till den.
"För varje kilogram återupplivar vi verkligen två kilogram av det äldre plutoniumet genom att blanda det ... det är en kritisk del av vår process att kunna utnyttja vår befintliga leverans vid den energitäthet vi vill ha den," berättade Green för en ny prospekteringsplan för Mars utskott.
Ändå kan full målproduktion på 1,5 kg per år vara lite ledig. För sammanhang använder Mars rover Curiosity 4,8 kg Pu-238, och New Horizons innehåller 11 kilo. Inga uppdrag till de yttre planeterna har lämnat jorden sedan lanseringen av nyfikenhet i november 2011, och nästa uppdrag som troligen kommer att sporta en RTG är den föreslagna roveren Mars 2020. Idéer på rittavlan som en landare av Titan-sjön och ett Jupiter Icy Moons-uppdrag skulle alla vara kärnkraftsdrivna.
Tillsammans med ny plutoniumproduktion planerar NASA att ha två nya RTG: er som kallas Advanced Stirling Radioisotope Generators (ASRGs) tillgängliga senast 2016. Medan effektivare är ASRG kanske inte alltid vara den enhet du väljer. Till exempel använder Curiosity sitt MMRTG-spillvärme för att hålla instrumenten varma via Freons cirkulation. Nyfikenhet var också tvungen att lufta bort spillvärme som producerats av 110-wattgeneratorn medan den samlades upp i sitt aero-skal på väg till Mars.
Och naturligtvis finns det de extra försiktighetsåtgärderna som följer med att starta en kärnkrafts nyttolast. USA: s president var tvungen att logga av vid lanseringen av Curiosity från Florida Space Coast. Lanseringen av Cassini, New Horizons och Curiosity drog alla till en spridning av demonstranter, liksom allt kärnkraftsrelaterat. Observera att koleldade kraftverk producerar radioaktivt polonium, radon och thorium som en oönskad biprodukt dagligen.
Nämnda lanseringar är inte utan faror, om än med risker som kan mildras och hanteras. En av de mest beryktade rymdrelaterade kärnkraftsolyckorna inträffade tidigt i det amerikanska rymdprogrammet med förlusten av en RTG-utrustad Transit-5BN-3-satellit utanför Madagaskars kust strax efter lanseringen 1964. Och när Apollo 13 var tvungen att avbryta och tillbaka till jorden riktades astronauterna för att dike Aquarius Landingsmodul tillsammans med sina kärnkraftsdrivna vetenskapliga experiment avsedda för månens yta i Stilla havet nära ön Fiji. (De säger inte till dig den där i filmen) Man undrar om det skulle vara kostnadseffektivt att ”återupprätta” denna RTG från havsbotten för ett framtida rymduppdrag. Vid tidigare kärnkraftsutrustade lanseringar som New Horizons, placerade NASA chansen att en "lanseringsolycka som skulle kunna släppa plutonium" vid 350 till 1 mot Även då är den skärmade RTG "överkonstruerad" för att överleva en explosion och påverkan med vattnet.
Men riskerna är värda vinsten när det gäller nya upptäckter av solsystemet. I en modig ny framtid för rymdutforskning ger omstart av plutoniumproduktionen för fredliga syften oss hopp. För att parafrasera Carl Sagan är rymdresor en av de bästa användningarna av kärnklyvning som vi kan tänka på!
