Mars Science Laboratory, som ble lansert for tre dager siden om morgenen lørdag 26. november, er for tiden på vei til den røde planeten - en reise som vil ta nesten ni måneder. Når den ankommer den første uken i august 2012, vil MSL begynne å undersøke jordsmonnet og atmosfæren i Gale Crater og søke etter de svakeste antydningene fra tidligere liv. Og i motsetning til de tidligere roverene som kjørte på solenergi, vil MSL være kjernekraftdrevet, og generere sin energi gjennom forfallet på nesten 8 pund plutonium-238. Dette vil potensielt holde neste generasjons rover i gang i årevis ... men hva vil gi drivstoff til fremtidige leteoppdrag nå som NASA ikke lenger kan finansiere produksjonen av plutonium?
Pu-238 er en isotop som ikke er våpenkvalitet av det radioaktive elementet, som ble brukt av NASA i over 50 år for å drivstoff til leting av romfartøy. Voyagers, Galileo, Cassini ... alle hadde radioisotop termoelektriske generatorer (RTG) som genererte strøm via Pu-238. Men stoffet har ikke vært i produksjon i USA siden slutten av 1980-tallet; all Pu-238 har siden blitt produsert i Russland. Men nå er det bare nok igjen til ett eller to oppdrag til, og budsjettplanen for 2012 gir ennå ikke midler til at Energidepartementet kan fortsette produksjonen.
Hvor vil fremtidig drivstoff komme fra? Hvordan vil NASA gi sitt neste utvalg av robotutforskere? (Og hvorfor er ikke flere opptatt av dette?)
Amatørastronom, lærer og blogger David Dickinson gikk i detalj om dette forholdet i en informativ artikkel skrevet tidligere i år. Her er noen utdrag fra innlegget hans:
________________
Når vi forlater vår rettferdige planet, er masse alt. Plass som et tøft sted, må du ta med deg nesten alt du trenger, inkludert drivstoff. Og ja, mer drivstoff betyr mer masse, betyr mer drivstoff, betyr ... vel, du får ideen. En vei rundt dette er å bruke tilgjengelig solenergi til kraftproduksjon, men dette fungerer bare bra i det indre solsystemet. Ta en titt på solcellepanelene på Juno-romfartøyet som er på vei til Jupiter neste måned ... de ting må væreenorm for å dra nytte av den relativt svake solenergi-strømstyrken som er tilgjengelig ... dette er alt på grunn av vår venn den omvendte kvadratloven som styrer alle ting elektromagnetisk, inkludert lys.
Å operere i omgivelsene tildypplass, trenger du en pålitelig strømkilde. For å sammensatte problemer, må eventuelle overflateoperasjoner på Månen eller Mars være i stand til å utnytte energi i lange perioder med solfri drift; en månepost vil møte kvelder som er omtrent to jorduker lange, for eksempel. For dette formål har NASA historisk brukt Radioisotope Thermal Generators (RTGs) som et elektrisk "kraftverk" for langsiktige romoppdrag. Disse gir en lett, langsiktig drivstoffkilde, og genererer fra 20-300 watt strøm. De fleste er omtrent på størrelse med en liten person, og de første prototypene fløy på romfartøyet Transit-4A & 5BN1 / 2 på begynnelsen av 60-tallet. Pioneer, Voyager, New Horizons, Galileo og Cassini romfartøyer alle sport Pu238 drevne RTG-er. Romfartøyet Viking 1 og 2 hadde også RTG-er, det samme gjorde de langvarige Apollo Lunar Surface Experimental Package (ALSEP) eksperimentene som Apollo-astronauter plasserte på Månen. Et ambisiøst prøveoppdragsoppdrag til planeten Pluto ble til og med foreslått i 2003 som ville ha brukt en liten kjernefysisk motor.
Video: hvordan er plutonium egentlig?
David fortsetter å nevne de ubestridelige farene ved plutonium ...
Plutonium erekkel ting. Det er en sterk alfa-emitter og et meget giftig metall. Ved innånding utsetter det lungevevet for en veldig høy lokal stråledose med tilhørende risiko for kreft. Hvis den blir svelget, samler det seg noen former for plutonium i våre bein der det kan skade kroppens bloddannende mekanisme og ødelegge ødeleggelse med DNA. NASA hadde historisk sett en sjanse for en utskytningsfeil for romfartøyet New Horizons på 350-til-1 mot, noe som selv da ikke nødvendigvis ville ødelegge RTG og frigjøre de inneholdte 11 kilo plutoniumdioksid i miljøet. Prøvetaking utført rundt Sør-Stillehavets hvilested for den nevnte Apollo 13 LM gjeninntreden av stigningstrinnet til Lunar Module, for eksempel, antyder at reentry av RTG IKKE sprengte beholderen, da det aldri har blitt funnet noen plutoniumforurensning .
Likevel overskygger farene ved kjernekraft dens relative sikkerhet og umiskjennelige fordel:
De svarte svanehendelsene som Three Mile Island, Tsjernobyl og Fukushima har tjent til å demonisere alle kjernefysiske ting, omtrent som utsikten om at 19thårhundre innbyggere hadde strøm. Husk at kullfyrte anlegg legger mange ganger tilsvarende radioaktiv forurensning ut i atmosfæren i form av bly210, polonium214, thorium og radon gasser,hver dag. Sikkerhetsdetektorer ved atomkraftverk blir ofte utløst under temperaturinversjoner på grunn av utslipp av kullanlegg i nærheten ... stråling var en del av miljøet vårt allerede før den kalde krigen og er her for å bli. For å sitere Carl Sagan, "Romfart er en av de beste bruken av atomvåpen som jeg kan tenke på ..."
Men her er vi, med en klar slutt i sikte på tilførselen av atomvåpen som er nødvendig for å drive romfart ...
For øyeblikket står NASA overfor et dilemma som vil legge en alvorlig demper for utvendig utforskning av solsystemet i det kommende tiåret. Som nevnt, nåværende plutoniumreserver er omtrent nok til Mars Science Laboratory Curiosity, som vil inneholde 4,8 kg plutoniumdioksid, og en siste store og kanskje et lite ytre solsystemoppdrag. MSL bruker en ny generasjon MMRTG (“MM” står for Multi-Mission) designet av Boeing som vil produsere 125 watt i opptil 14 år. Men produksjonen av nytt plutonium ville være vanskelig. Omstart av forsyningslinjen for plutonium ville være en langvarig prosess, og det kan ta et tiår. Andre kjernefysiske baserte alternativer finnes riktignok, men ikke uten straff verken ved lav termisk aktivitet, flyktighet, kostnad i produksjonen eller kort halveringstid.
Konsekvensene av denne faktoren kan være dystre for både bemannede og ubemannede romfart til det ytre solsystemet. Sammenlignet med det den nylige Decadal Survey for Planetary Exploration foreslår, er vi heldige å se mange av de ambisiøse ”Battlestar Galactica”–Stilte ytre solsystemoppdrag kommer til å passere.
Landere, blimps og submersibles på Europa, Titan og Enceladus vil alle operere godt utenfor Suns domene og vil trenge nevnte atomkraftverk for å få jobben gjort ... kontrast dette med European Space Agency's Huygens-sonde, som landet på Titan etter å ha blitt løslatt fra NASAs Cassini-romfartøy i 2004, som kjørte i knappe timer på batterikraft før han bukket under for -179,5 C ° -tempene som representerer en fin lun dag på den saturniske månen.
Så, hva er en romfartssivilisasjon å gjøre? Visstnok er alternativet “ikke gå ut i verdensrommet” ikke det vi vil ha på bordet, og warp eller Raster-Than-Light driver hver eneste dårlige science fiction-flick ikke er noen steder i den nærmeste fremtiden. I [min] høyt mening, har NASA følgende alternativer:
Benytt andre RTG-kilder med straff. Som nevnt tidligere, eksisterer andre atomkilder i form av Plutonium, Thorium og Curium isotoper og kan tenkes å bli integrert i RTG; alle har imidlertid problemer. Noen har ugunstige halveringstider; andre frigjør for lite energi eller farlige gjennomtrengende gammastråler. plutonium238 har høy energiytelse gjennom en betydelig levetid, og utslippene av alfa-partikler kan lett holdes inne.
Utforme innovative nye teknologier.Solcelleteknologi har kommet langt de siste årene, noe som gjør at leting ut til Jupiters bane er mulig med nok innsamlingsareal. Den pisseÅnd ogMulighet Mars-rovere (som inneholdt Curium-isotoper i deres spektrometre!) Gjorde det godt forbi sine respektive garantidatoer ved bruk av solceller, og NASAs romfartøy fra Dawn som i dag går i bane rundt asteroiden Vesta, er en innovativ ionestasjonsteknologi.
Trykk for å starte plutoniumproduksjonen på nytt. Igjen, det er ikke så sannsynlig eller til og med gjennomførbart at dette vil skje i dagens økonomiske spenning etter den kalde krigen. Andre land, som India og Kina, er ute etter å “gå kjernefysisk” for å bryte avhengigheten av olje, men det vil ta litt tid før ethvert nedslitt plutonium når lanseringsplaten. Kraftreaktorer er heller ikke gode produsenter av Pu238. Den dedikerte produksjonen av Pu238 krever enten høye nøytronfluksreaktorer eller spesialiserte “raske” reaktorer som er spesielt designet for produksjon av trans-uran-isotoper ...
Basert på realitetene i kjernefysiske materialer, finansieringsnivået for Pu238 Produksjonsstart er skremmende lite. NASA må stole på DOE for infrastruktur og kunnskap som er nødvendig, og løsninger på problemet må passe til realitetene i begge etater.
Og det er den dystre virkeligheten til en modig ny plutoniumfri verden som står overfor NASA; kanskje vil løsningen komme som en kombinasjon av noen eller alt av ovenstående. Det neste tiåret vil være full av krise og muligheter ... plutonium gir oss en slags Promethean avtale med bruken; vi kan enten bygge våpen og drepe oss selv med det, eller vi kan arve stjernene.
Takk til David Dickinson for bruken av den utmerkede artikkelen hans; husk å lese hele versjonen på hans Astro Guyz-side her (og følg David på Twitter @astroguyz.) Sjekk også ut denne artikkelen av Emily Lakdawalla fra The Planetary Society om hvordan RTG-enheten for nysgjerrighet ble laget.
"Det er noen mennesker som legitimt føler at dette rett og slett ikke er en prioritet, at det ikke er nok penger og det er ikke deres problem. Men jeg tror at hvis du prøver å gå tilbake og se på skogen og ikke bare de enkelte trærne, er dette noe av det som har hjulpet oss til å bli et teknologisk kraftverk. Det vi har gjort med robotutforskning er noe folk ikke bare i USA, men over hele verden kan se opp til. "
- Ralph McNutt, planetforsker ved Johns Hopkins Universitys Applied Physics Laboratory (APL)
(Topp bildekreditt © 2011 Theodore Gray periodictable.com; brukes med tillatelse.)
