Het einde van het tekort aan plutonium van NASA is mogelijk in zicht. Op maandag 18 maartth, NASA's planetary science divisiehoofd Jim Green kondigde aan dat de productie van Plutonium-238 (Pu-238) door het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) momenteel in de testfase is, in de aanloop naar een herstart van de volledige productie.
"Tegen het einde van het kalenderjaar hebben we een volledig plan van het ministerie van Energie over hoe ze aan onze vereiste van 1,5 tot 2 kilogram per jaar kunnen voldoen." Zei Green op de 44th De Lunar and Planetary Science Conference wordt afgelopen maandag gehouden in Woodlands, Texas.
Dit nieuws komt niet te snel. We hebben eerder geschreven over het dreigende tekort aan Plutonium en de gevolgen ervan voor toekomstige verkenning van de verre ruimte. Zonne-energie is in de meeste gevallen voldoende wanneer je het innerlijke zonnestelsel verkent, maar wanneer je je buiten de asteroïdengordel begeeft, heb je kernenergie nodig om het te doen.
De productie van de isotoop Pu-238 was een gelukkig gevolg van de Koude Oorlog. Voor het eerst geproduceerd door Glen Seaborg in 1940, wordt de isotoop van plutonium (-239) voor wapens geproduceerd door het beschieten van neptunium (dat zelf een vervalproduct is van uranium-238) met neutronen. Gebruik dezelfde doelisotoop van Neptunium-237 in een snelle reactor, en Pu-238 is het resultaat. Pu-238 produceert 280x de vervalswarmte bij 560 watt per kilogram versus Pu-239 van wapenkwaliteit en is ideaal als een compacte energiebron voor verkenning van de ruimte.
Sinds 1961 zijn meer dan 26 Amerikaanse ruimtevaartuigen gelanceerd met multi-missie radio-isotoop thermo-elektrische generatoren (MMRTG, of voorheen gewoon RTG's) als energiebronnen en hebben ze elke planeet behalve Mercurius verkend. RTG's werden gebruikt door de wetenschappelijke lading van de Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) die de astronauten op de maan hadden achtergelaten, en Cassini, Mars Curiosity en New Horizons onderweg om Pluto in juli 2015 te verkennen, zijn allemaal nucleair aangedreven.
Plutonium-aangedreven RTG's zijn de enkel en alleen technologie die we momenteel in gebruik hebben en die diepe ruimteverkenning kan uitvoeren. NASA's Juno-ruimtevaartuig zal als eerste Jupiter bereiken in 2016 zonder het gebruik van een atoomaangedreven RTG, maar er zullen 3 enorme zonnepanelen van 2,7 x 8,9 meter voor nodig zijn.
Het probleem is dat de plutoniumproductie in de VS in 1988 stopte met het einde van de Koude Oorlog. Hoeveel Plutonium-238 NASA en de DOE hebben opgeslagen is geclassificeerd, maar er wordt gespeculeerd dat het hooguit genoeg heeft voor nog een grote Flag Ship-klasse missie en misschien een kleine Scout-klasse missie. En zodra plutonium-239 van wapenskwaliteit is vervaardigd, is er geen herverwerking van de gewenste Pu-238-isotoop. Het plutonium dat momenteel nieuwsgierigheid over het oppervlak van Mars aandrijft, werd gekocht van de Russen en die bron eindigde in 2010. New Horizons is uitgerust met een reserve MMRTG die werd gebouwd voor Cassini, die in 1999 werd gelanceerd.
Als extra bonus overtreffen plutonium-aangedreven missies vaak ook de verwachtingen. Het ruimtevaartuig Voyager 1 & 2 had bijvoorbeeld een oorspronkelijke missieduur van vijf jaar en zal naar verwachting tot ver in het vijfde decennium van zijn bestaan doorgaan. Mars Curiosity heeft geen last van de problemen van 'stoffige zonnepanelen' die Spirit en Opportunity plaagden en die de lange Martiaanse winter kunnen doorstaan. Overigens, hoewel de Spirit and Opportunity-rovers niet door kernenergie werden aangedreven, deden ze dat wel deed gebruiken kleine korrels plutoniumoxide in hun gewrichten om warm te blijven, evenals radioactief curium om neutronenbronnen in hun spectrometers te voorzien. Het is zelfs heel goed mogelijk dat elke buitenaardse intelligentie struikelt over de vijf ruimtevaartuigen die uit ons zonnestelsel ontsnappen (Pioneer 10 & 11, Voyagers 1 & 2 en New Horizons) hun vertrek uit de aarde mogelijk dateren door het verval van hun plutoniumstroombron te meten. (Pu-238 heeft een halfwaardetijd van 87,7 jaar en vervalt uiteindelijk na overgang door een lange reeks dochterisotopen in lood-206).
De huidige productierun van Pu-238 zal worden uitgevoerd in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) met behulp van de High Flux Isotope Reactor (HFIR). “Oude” Pu-238 kan ook nieuw leven worden ingeblazen door er nieuw vervaardigde Pu-238 aan toe te voegen.
"Voor elke 1 kilogram doen we twee kilo van het oudere plutonium echt herleven door het te mengen ... het is een cruciaal onderdeel van ons proces om onze bestaande voorraad te kunnen gebruiken met de energiedichtheid die we willen," vertelde Green aan een recente verkenningsplanning op Mars commissie.
Toch kan de volledige doelproductie van 1,5 kilogram per jaar enige tijd vrij zijn. Voor de context gebruikt de Marsrover Curiosity 4,8 kilogram Pu-238 en New Horizons 11 kilogram. Geen missies naar de buitenplaneten hebben de aarde verlaten sinds de lancering van Curiosity in november 2011, en de volgende missie die waarschijnlijk een RTG zal beoefenen, is de voorgestelde Mars 2020-rover. Ideeën op de tekentafel zoals een Titan Lake-lander en een Jupiter Icy Moons-missie zouden allemaal op kernenergie werken.
Naast de nieuwe productie van plutonium, is NASA van plan om tegen 2016 twee nieuwe RTG's te hebben, genaamd Advanced Stirling Radioisotope Generators (ASRG's). Hoewel efficiënter, is het mogelijk dat de ASRG niet altijd het apparaat bij uitstek zijn. Curiosity gebruikt bijvoorbeeld zijn MMRTG-restwarmte om instrumenten warm te houden via Freon-circulatie. Nieuwsgierigheid moest ook afvalwarmte afvoeren die werd geproduceerd door de 110-wattgenerator terwijl hij opgesloten zat in zijn aero-schaal onderweg naar Mars.
En natuurlijk zijn er de extra voorzorgsmaatregelen die horen bij het lanceren van een nucleaire lading. De president van de Verenigde Staten moest de lancering van Curiosity vanaf de Florida Space Coast ondertekenen. De lancering van Cassini, New Horizons en Curiosity zorgden allemaal voor een versnippering van demonstranten, net als alles wat met kernenergie te maken heeft. Het maakt niet uit dat kolencentrales dagelijks radioactief polonium, radon en thorium produceren als ongewenst bijproduct.
Deze lanceringen zijn niet zonder gevaren, zij het met risico's die kunnen worden beperkt en beheerd. Een van de meest beruchte ruimtegerelateerde nucleaire ongevallen vond plaats vroeg in het Amerikaanse ruimtevaartprogramma met het verlies van een met RTG uitgeruste Transit-5BN-3-satelliet voor de kust van Madagaskar, kort na de lancering in 1964. En toen Apollo 13 moest afbreken en terug te keren naar de aarde, werden de astronauten opgedragen de Waterman Landingsmodule samen met zijn nucleair aangedreven wetenschappelijke experimenten bedoeld voor het oppervlak van de maan in de Stille Oceaan nabij het eiland Fiji. (Ze vertellen het je niet dat in de film) Je kunt je afvragen of het kosteneffectief zou zijn om deze RTG vanaf de oceaanbodem tot leven te wekken voor een toekomstige ruimtemissie. Bij eerdere lanceringen met nucleaire uitrusting, zoals New Horizons, plaatste NASA de kans op een "lanceringsongeval dat plutonium zou kunnen afgeven" bij 350 tegen 1. Zelfs dan is de afgeschermde RTG "over-engineered" om een explosie en impact te overleven met het water.
Maar de risico's zijn de winst waard in termen van nieuwe ontdekkingen van het zonnestelsel. In een dappere nieuwe toekomst van ruimteverkenning geeft het herstarten van de plutoniumproductie voor vreedzame doeleinden hoop. Om Carl Sagan te parafraseren: ruimtevaart is een van de beste toepassingen van kernsplijting die we kunnen bedenken!
