Mars Science Laboratory, drie dagen geleden gelanceerd op de ochtend van zaterdag 26 november, is momenteel onderweg naar de Rode Planeet - een reis die bijna negen maanden zal duren. Wanneer het de eerste week van augustus 2012 arriveert, zal MSL beginnen met het onderzoeken van de bodem en atmosfeer in Gale Crater, op zoek naar de zwakste hints van het vorige leven. En in tegenstelling tot de vorige rovers die op zonne-energie draaiden, zal MSL op kernenergie werken en zijn energie opwekken door het verval van bijna 8 pond plutonium-238. Dit zal de rover van de volgende generatie mogelijk jarenlang laten draaien ... maar wat zal toekomstige verkenningsmissies voeden nu NASA de productie van plutonium mogelijk niet meer kan financieren?
Pu-238 is een niet-wapensoort isotoop van het radioactieve element, dat al meer dan 50 jaar door NASA wordt gebruikt om ruimtevaartuigen voor exploratie van brandstof te voorzien. Reizigers, Galileo, Cassini ... hadden allemaal radio-isotoop thermo-elektrische generatoren (RTG's) die stroom opwekten via Pu-238. Maar de stof is sinds eind jaren tachtig niet meer in de VS geproduceerd; alle Pu-238 is sindsdien geproduceerd in Rusland. Maar nu is er nog maar genoeg over voor nog een of twee missies en het budgetplan 2012 kent nog geen financiering toe voor het ministerie van Energie om de productie voort te zetten.
Waar komt toekomstige brandstof vandaan? Hoe zal NASA zijn volgende reeks robotverkenners van stroom voorzien? (En waarom maken niet meer mensen zich hier zorgen over?)
Amateurastronoom, leraar en blogger David Dickinson ging in detail over dit raadsel in een eerder dit jaar geschreven informatief artikel. Hier zijn enkele fragmenten uit zijn post:
________________
Bij het verlaten van onze schone planeet is massa alles. Omdat de ruimte een harde plek is, moet u bijna alles wat u nodig heeft, inclusief brandstof, meenemen. En ja, meer brandstof betekent meer massa, betekent meer brandstof, betekent ... nou ja, je snapt het wel. Een manier om dit te omzeilen is om beschikbare zonne-energie te gebruiken voor energieopwekking, maar dit werkt alleen goed in het innerlijke zonnestelsel. Kijk eens naar de zonnepanelen op het Juno-ruimtevaartuig dat volgende maand op weg is naar Jupiter ... dat moet zo zijnreusachtig om te profiteren van het relatief zwakke zonne-wattage waarover het beschikt ... dit komt allemaal door onze vriend de omgekeerde kwadratenwet die alle dingen regelt die elektromagnetisch zijn, inclusief licht.
Te opereren in de omgeving vandiepruimte heeft u een betrouwbare stroombron nodig. Om problemen op te lossen, moeten alle toekomstige oppervlaktebewerkingen op de maan of Mars in staat zijn energie te gebruiken voor lange perioden zonder zon; een maanpost zou bijvoorbeeld worden geconfronteerd met nachten die ongeveer twee aardse weken lang zijn. Daartoe heeft NASA van oudsher radio-isotoop thermische generatoren (RTG's) gebruikt als een elektrische "energiecentrale" voor ruimtemissies op lange termijn. Deze bieden een lichtgewicht, langdurige brandstofbron, die 20-300 watt aan elektriciteit opwekt. De meeste zijn ongeveer zo groot als een klein persoon, en de eerste prototypes vlogen begin jaren 60 op het Transit-4A & 5BN1 / 2 ruimtevaartuig. Het ruimtevaartuig Pioneer, Voyager, New Horizons, Galileo en Cassini hebben allemaal Pu238 aangedreven RTG's. Het Viking 1 en 2 ruimtevaartuig had ook RTG's, net als de langlopende Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) experimenten die Apollo-astronauten op de maan plaatsten. In 2003 werd zelfs een ambitieuze missie voor het terugsturen van monsters naar de planeet Pluto voorgesteld, die gebruik zou hebben gemaakt van een kleine nucleaire motor.
Video: hoe ziet plutonium er echt uit?
David noemt vervolgens de onmiskenbare gevaren van plutonium ...
Plutonium isnaar spullen. Het is een sterke alfa-emitter en een zeer giftig metaal. Bij inademing stelt het longweefsel bloot aan een zeer hoge lokale stralingsdosis met het daarbij behorende risico op kanker. Als het wordt ingenomen, hopen sommige vormen van plutonium zich op in onze botten, waar het het bloedvormende mechanisme van het lichaam kan beschadigen en verwoesting kan veroorzaken met DNA. NASA had historisch gezien een kans op een lanceringsfout van het New Horizons-ruimtevaartuig op 350-tegen-1 geschat, wat zelfs dan niet noodzakelijkerwijs de RTG zou scheuren en de aanwezige 11 kilogram plutoniumdioxide in het milieu zou vrijgeven. Bemonstering uitgevoerd rond de Zuid-Pacifische rustplaats van de eerder genoemde Apollo 13 LM-herintreding van de opstijgfase van de maanmodule, suggereert bijvoorbeeld dat de terugkeer van de RTG de container NIET heeft gescheurd, omdat er nooit een plutoniumverontreiniging is gevonden .
Toch overschaduwen de gevaren van kernenergie vaak de relatieve veiligheid en het onmiskenbare voordeel:
De gebeurtenissen met de zwarte zwaan zoals Three Mile Island, Tsjernobyl en Fukushima hebben gediend om alle nucleaire dingen te demoniseren, net zoals de opvatting dat 19theeuws burgers hadden elektriciteit. Het maakt niet uit dat kolencentrales vele malen het equivalent van radioactieve besmetting in de atmosfeer brengen in de vorm van lood210polonium214, thorium- en radongassen,elke dag. Veiligheidsdetectoren bij kerncentrales worden vaak geactiveerd tijdens temperatuurinversies als gevolg van emissies van nabijgelegen kolencentrales ... straling was al vóór de Koude Oorlog een onderdeel van onze omgeving en zal hier blijven. Om Carl Sagan te citeren: "Ruimtevaart is een van de beste toepassingen van kernwapens die ik kan bedenken ..."
Maar hier zijn we dan, met een definitief einde in zicht voor de levering van nucleaire "wapens" die nodig zijn om ruimtevaart mogelijk te maken ...
Momenteel staat NASA voor een dilemma dat de verkenning van het buitenste zonnestelsel in het komende decennium ernstig zal belemmeren. Zoals gezegd zijn de huidige plutoniumreserves ongeveer genoeg voor de Mars Science Laboratory Curiosity, die 4,8 kilogram plutoniumdioxide zal bevatten, en een laatste grote en misschien een kleine missie in het buitenste zonnestelsel. MSL maakt gebruik van een nieuwe generatie MMRTG (de “MM” staat voor Multi-Mission), ontworpen door Boeing, die tot 14 jaar 125 watt zal produceren. Maar de productie van nieuw plutonium zou moeilijk zijn. Het opnieuw opstarten van de plutoniumaanvoerlijn zou een langdurig proces zijn en misschien wel een decennium duren. Er bestaan inderdaad andere op kernenergie gebaseerde alternatieven, maar niet zonder een boete, hetzij bij lage thermische activiteit, vluchtigheid, productiekosten of korte halfwaardetijd.
De implicaties van deze factor kunnen grimmig zijn voor zowel bemande als onbemande ruimtevaart naar het buitenste zonnestelsel. Tegengesteld aan wat de recente Decadal Survey for Planetary Exploration 2011 voorstelt, hebben we geluk dat veel van die ambitieuze "Battlestar Galactica"-Stijl missies van het buitenste zonnestelsel komen te vervallen.
Landers, zeppelins en duikboten op Europa, Titan en Enceladus zullen allemaal ver buiten het domein van de zon opereren en hebben de genoemde kerncentrales nodig om de klus te klaren ... contrasteer dit met de Huygens-sonde van de European Space Agency, die op Titan landde in 2004 vrijgegeven door het Cassini-ruimtevaartuig van NASA, dat slechts enkele uren op batterijvermogen heeft gewerkt voordat het bezweek onder de temperaturen van -179,5 ° C, die een mooie zwoele dag op de maan van Saturnus vertegenwoordigen.
Dus, wat is een ruimtevarende beschaving om te doen? Zeker, de optie 'niet de ruimte in gaan' is niet degene die we op tafel willen hebben, en warp of Faster-Than-Light drijft a la elke slechte sciencefictionfilm is nergens in de nabije toekomst. Volgens [mijn] zeer eigenwijze mening heeft NASA de volgende opties:
Benut andere RTG-bronnen op straffe. Zoals eerder vermeld, bestaan er andere nucleaire bronnen in de vorm van Plutonium-, Thorium- en Curium-isotopen die mogelijk in RTG's zouden kunnen worden opgenomen; ze hebben echter allemaal problemen. Sommige hebben een ongunstige halfwaardetijd; andere geven te weinig energie of gevaarlijke doordringende gammastralen af. Plutonium238 heeft een hoge energie-output gedurende een aanzienlijke levensduur en de emissie van alfa-deeltjes kan gemakkelijk worden beperkt.
Ontwerp innovatieve nieuwe technologieën.De technologie van zonnecellen heeft de afgelopen jaren een lange weg afgelegd, waardoor een verkenning naar de baan van Jupiter mogelijk is met voldoende verzamelgebied. De moedigeGeest enKans Marsrovers (die wel Curium-isotopen in hun spectrometers bevatten!) Deden het ver voorbij hun respectievelijke garantiedata met behulp van zonnecellen, en NASA's Dawn-ruimtevaartuig dat momenteel rond de asteroïde Vesta draait, heeft een innovatieve ion-drive-technologie.
Druk op om de plutoniumproductie opnieuw te starten. Nogmaals, het is niet zo waarschijnlijk of zelfs maar haalbaar dat dit zal gebeuren in de huidige financieel krappe omgeving na de Koude Oorlog. Andere landen, zoals India en China, willen "nucleair worden" om hun afhankelijkheid van olie te doorbreken, maar het zou enige tijd duren voordat een druppelend plutonium het lanceerplatform bereikt. Krachtreactoren zijn ook geen goede producenten van Pu238. De toegewijde productie van Pu238 vereist ofwel hoge neutronenfluxreactoren of gespecialiseerde "snelle" reactoren die speciaal zijn ontworpen voor de productie van trans-uraniumisotopen ...
Gebaseerd op de realiteit van de productie van nucleair materiaal, de financieringsniveaus voor Pu238 de herstart van de productie is beangstigend klein. NASA moet vertrouwen op de DOE voor de benodigde infrastructuur en kennis en oplossingen voor het probleem moeten passen bij de realiteit binnen beide instanties.
En dat is de grimmige realiteit van een dappere nieuwe plutoniumvrije wereld tegenover NASA; misschien komt de oplossing als een combinatie van enkele of al het bovenstaande. Het volgende decennium zal vol zitten met crisis en kansen ... plutonium geeft ons een soort Promethean-koopje met het gebruik ervan; we kunnen wapens bouwen en onszelf ermee doden, of we kunnen de sterren erven.
Met dank aan David Dickinson voor het gebruik van zijn uitstekende artikel; lees hier zeker de volledige versie op zijn Astro Guyz-site (en volg David op Twitter @astroguyz.) Lees ook dit artikel door Emily Lakdawalla van The Planetary Society over hoe de RTG-eenheid voor nieuwsgierigheid is gemaakt.
"Sommige mensen vinden dat dit geen prioriteit is, dat er niet genoeg geld is en dat het niet hun probleem is. Maar ik denk dat als je probeert een stap terug te doen en naar het bos te kijken en niet alleen naar de individuele bomen, dit een van de dingen is die ons hebben geholpen om een technologische krachtpatser te worden. Wat we hebben gedaan met robotverkenning in de ruimte, is iets waar mensen niet alleen in de Verenigde Staten, maar over de hele wereld tegen op kunnen kijken. "
- Ralph McNutt, planetair wetenschapper aan het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL)
(Afbeelding met dank aan © 2011 Theodore Gray periodictable.com; gebruikt met toestemming.)
