Das Ende des Plutoniummangels der NASA könnte in Sicht sein. Am Montag, den 18. MärzthJim Green, Leiter der Abteilung Planetary Science der NASA, gab bekannt, dass sich die Produktion von Plutonium-238 (Pu-238) durch das US-Energieministerium (DOE) derzeit in den Testphasen befindet, die zu einem Neustart der Produktion in vollem Umfang führen.
"Bis zum Ende des Kalenderjahres haben wir einen vollständigen Plan des Energieministeriums, wie sie unseren Bedarf von 1,5 bis 2 Kilogramm pro Jahr decken können." Sagte Green bei der 44th Die Lunar and Planetary Science Conference findet am vergangenen Montag in Woodlands, Texas, statt.
Diese Nachricht kommt nicht zu früh. Wir haben bereits zuvor über den bevorstehenden Plutoniummangel und die Folgen für die zukünftige Erforschung des Weltraums geschrieben. Solarenergie ist in den meisten Fällen ausreichend, wenn Sie das innere Sonnensystem erkunden. Wenn Sie sich jedoch über den Asteroidengürtel hinaus wagen, benötigen Sie dafür Atomkraft.
Die Produktion des Isotops Pu-238 war eine glückliche Folge des Kalten Krieges. Das waffenfähige Isotop von Plutonium (-239), das erstmals 1940 von Glen Seaborg hergestellt wurde, wird durch Beschuss von Neptunium (das selbst ein Zerfallsprodukt von Uran-238 ist) mit Neutronen hergestellt. Verwenden Sie das gleiche Zielisotop von Neptunium-237 in einem schnellen Reaktor, und Pu-238 ist das Ergebnis. Pu-238 erzeugt das 280-fache der Zerfallswärme bei 560 Watt pro Kilogramm gegenüber Pu-239 mit Waffenqualität und ist ideal als kompakte Energiequelle für die Erforschung des Weltraums.
Seit 1961 wurden über 26 US-Raumschiffe mit thermoelektrischen Multi-Mission-Radioisotop-Generatoren (MMRTG oder früher einfach RTGs) als Stromquellen gestartet und haben jeden Planeten außer Merkur erkundet. RTGs wurden von den wissenschaftlichen Nutzlasten des Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) verwendet, die von den Astronauten auf dem Mond zurückgelassen wurden, und Cassini, Mars Curiosity und New Horizons auf dem Weg zur Erkundung von Pluto im Juli 2015 werden alle mit Atomkraft betrieben.
Plutonium-betriebene RTGs sind die nur Technologie, die wir derzeit verwenden und die die Erforschung des Weltraums durchführen kann. Das Juno-Raumschiff der NASA wird 2016 das erste sein, das Jupiter ohne Einsatz eines RTG mit Atomantrieb erreicht. Dafür müssen jedoch drei riesige 2,7 x 8,9 Meter große Sonnenkollektoren eingesetzt werden.
Das Problem ist, dass die Plutoniumproduktion in den USA 1988 mit dem Ende des Kalten Krieges eingestellt wurde. Wie viel Plutonium-238 die NASA und das DOE auf Lager haben, ist klassifiziert, aber es wurde spekuliert, dass es höchstens für eine weitere große Mission der Flag Ship-Klasse und vielleicht eine kleine Mission der Scout-Klasse ausreicht. Sobald das waffenfähige Plutonium-239 hergestellt ist, kann es nicht mehr mit dem gewünschten Pu-238-Isotop verarbeitet werden. Das Plutonium, das derzeit Curiosity über die Marsoberfläche treibt, wurde von den Russen gekauft und diese Quelle endete 2010. New Horizons ist mit einem Ersatz-MMRTG ausgestattet, das für Cassini gebaut wurde und 1999 gestartet wurde.
Als zusätzlichen Bonus übertreffen plutoniumbetriebene Missionen häufig auch die Erwartungen. Zum Beispiel hatte das Raumschiff Voyager 1 & 2 eine ursprüngliche Missionsdauer von fünf Jahren und wird nun voraussichtlich bis weit in sein fünftes Betriebsjahrzehnt hinein fortgesetzt. Mars Curiosity leidet nicht unter den Problemen von „staubigen Sonnenkollektoren“, die Spirit and Opportunity plagten und den langen Marswinter überstehen können. Übrigens, während die Spirit- und Opportunity-Rover nicht mit Atomkraft betrieben wurden, waren sie es tat Verwenden Sie winzige Pellets aus Plutoniumoxid in ihren Gelenken, um warm zu bleiben, sowie radioaktives Curium, um Neutronenquellen in ihren Spektrometern bereitzustellen. Es ist sogar durchaus möglich, dass außerirdische Intelligenz auf die fünf Raumschiffe stößt, die unserem Sonnensystem entkommen (Pioneer 10 & 11, Voyagers 1 & 2 und New Horizons), und möglicherweise ihren Abflug von der Erde datieren, indem sie den Zerfall ihrer Plutonium-Energiequelle messen. (Pu-238 hat eine Halbwertszeit von 87,7 Jahren und zerfällt schließlich nach dem Übergang durch eine lange Reihe von Tochterisotopen in Blei-206).
Der aktuelle Produktionslauf von Pu-238 wird im Oak Ridge National Laboratory (ORNL) mit seinem High Flux Isotope Reactor (HFIR) durchgeführt. "Altes" Pu-238 kann auch durch Hinzufügen von neu hergestelltem Pu-238 wiederbelebt werden.
"Für jedes Kilogramm beleben wir zwei Kilogramm des älteren Plutoniums wirklich wieder, indem wir es mischen. Es ist ein entscheidender Teil unseres Prozesses, unser vorhandenes Angebot in der von uns gewünschten Energiedichte nutzen zu können", sagte Green kürzlich in einer Mars-Explorationsplanung Ausschuss.
Die volle Zielproduktion von 1,5 Kilogramm pro Jahr kann jedoch einige Zeit dauern. Für den Kontext verwendet der Marsrover Curiosity 4,8 Kilogramm Pu-238, und New Horizons enthält 11 Kilogramm. Seit dem Start von Curiosity im November 2011 haben keine Missionen zu den äußeren Planeten die Erde verlassen, und die nächste Mission, bei der wahrscheinlich eine RTG zum Einsatz kommt, ist der vorgeschlagene Mars 2020-Rover. Ideen auf dem Reißbrett wie ein Titan Lake Lander und eine Jupiter Icy Moons Mission würden alle mit Atomkraft betrieben.
Zusammen mit der neuen Plutoniumproduktion plant die NASA, bis 2016 zwei neue RTGs mit dem Namen Advanced Stirling Radioisotope Generators (ASRGs) zur Verfügung zu stellen. Die ASRG ist zwar effizienter, aber möglicherweise nicht effizienter immer das Gerät der Wahl sein. Zum Beispiel nutzt Curiosity seine MMRTG-Abwärme, um Instrumente über die Freon-Zirkulation warm zu halten. Die Neugier musste auch die Abwärme ablassen, die der 110-Watt-Generator auf dem Weg zum Mars in seiner Aero-Hülle erzeugt hatte.
Und natürlich gibt es die zusätzlichen Vorsichtsmaßnahmen, die mit dem Start einer nuklearen Nutzlast einhergehen. Der Präsident der Vereinigten Staaten musste den Start von Curiosity von der Florida Space Coast aus unterzeichnen. Der Start von Cassini, New Horizons und Curiosity zog alle Demonstranten an, ebenso wie alles, was mit Atomwaffen zu tun hat. Es ist egal, dass Kohlekraftwerke täglich radioaktives Polonium, Radon und Thorium als unerwünschtes Nebenprodukt produzieren.
Diese Starts sind nicht ungefährlich, wenn auch mit Risiken, die gemindert und gemanagt werden können. Einer der berüchtigtsten weltraumbedingten nuklearen Unfälle ereignete sich zu Beginn des US-Raumfahrtprogramms mit dem Verlust eines mit RTG ausgestatteten Satelliten Transit-5BN-3 vor der Küste Madagaskars kurz nach dem Start im Jahr 1964. Und als Apollo 13 abbrechen musste und zur Erde zurückkehren, wurden die Astronauten angewiesen, die zu graben Wassermann Landemodul zusammen mit seinen nuklearen wissenschaftlichen Experimenten für die Mondoberfläche im Pazifik in der Nähe der Insel Fidschi. (Sie sagen es dir nicht Das im Film) Man fragt sich, ob es kostengünstig wäre, dieses RTG für eine zukünftige Weltraummission vom Meeresboden wiederzubeleben. Bei früheren Starts mit Atomwaffen wie New Horizons hat die NASA die Chance auf einen „Startunfall, bei dem Plutonium freigesetzt werden könnte“ auf 350 zu 1 gesetzt. Selbst dann ist das abgeschirmte RTG „überentwickelt“, um eine Explosion und einen Aufprall zu überstehen mit dem Wasser.
Aber die Risiken sind den Gewinn in Bezug auf neue Entdeckungen des Sonnensystems wert. In einer schönen neuen Zukunft der Weltraumforschung gibt uns der Neustart der Plutoniumproduktion für friedliche Zwecke Hoffnung. Um Carl Sagan zu paraphrasieren: Die Raumfahrt ist eine der besten Anwendungen der Kernspaltung, die wir uns vorstellen können!
