Era istraživanja svemira je na rubu ponora?

Postavljeno od  //  22/09/2013  //  Misije  //  Comments Off on Era istraživanja svemira je na rubu ponora?

Godina 2020. je jedna lijepa i okrugla godina. Možda bi se upravo te godine na naslovnicama svjetkih medija mogla pojaviti udarna vijest – ‘Bye, bye svemirskim istraživanjima’.

Jedan od ključnih elemenata svake istraživačke svemirske misije unutar Sunčevog sustava, jest plutonij-238. Sve što je čovječanstvo ikad saznalo o drugim planetima i Sunčevom sustavu, na Zemlju je stiglo sa letjelica i teleskopa koje pogone baterije punjene plutonijem-238. Letjelice Voyager 1 i 2, Cassini, Galileo, rover Curiosity i letjelica New Horizons, samo su dio onih koje plutonij pogoni.

Zašto je tome tako? Zato što karakteristike propadanja tog radioaktivnog metala od njega čine super-gorivo. Još važnije od toga, jest ti to da je u svojoj ulozi plutonij-238 praktički nezamijenjiv. Solarna energija je preslaba, kemijske baterije nemaju dug vijek trajanja, a sustavi nuklearne fizije su jednostavno preteški. Stoga je istraživanje svemira ovisno o zalihama plutonija-238, koji se uglavnom dobivao kao nusprodukt prilikom izrade nuklearnog naoružanja.

Jedine prirodne zalihe plutonija-238 nestale su još i prije nego li se Zemlja u potpunosti formirala, oko 4,6 milijardi godina u prošlosti. Eksplodirajuće zvijezde isto tako proizvode taj srebrnkasti metal, ali njegovo vrijeme poluraspada, odnosno vrijeme potrebno da 50 posto nestane kroz propadanje, iznosi tek nešto ispod 88 godina.

Poput drugih radioaktivnih materijala, plutonij-238 propada jer je njegova atomska struktura nestabilna. Kad taj atom spontano propada, on ispaljuje svoju vodikovu jezgru vrlo velikom brzinom, ostavljajući iza sebe atom urana. Ti vodikovi ‘meci’, koji se još nazivaju i alfa zračenje, masovno se sudaraju sa susjednim atomima u grumenu plutonija-238 – koji je dvostruko gušći od olova. Oslobođena energija može zagrijati grumen plutonija-238 na 1.260 stupnjeva Celzija, a da bi iskoristili tu toplinsku energiju, grumen se omota termoelektričnim pretvaračem, koji tu veliku toplinu pretvara u struju. Tako se stvara baterija koja može napajati sustave nekoliko desetljeća, što je itekako korisno u misijama dubokih svemirskih istraživanja.

Voyager

Ipak, postoji jedan velik problem – plutonij-238 je gotovo sav potrošen, a NASA ga ima dovoljno za do kraja tekuće dekade. ‘Imamo još dovoljno u zalihama za do kraja desetljeća. To je to’, istaknuo je za Wired Steve Johnson, nuklearni kemičar američkog Nacionalnog laboratorija u Idahu. Američka znanstvena zaliha plutonija-238 svela se na svega 16 kilograma. Da bi se to stavilo u perspektivu, spomenimo kako baterija koja napaja rover Curiosity na Marsu teži otprilike 4,5 kilograma, a ono što je ostalo, već je neko vrijeme predodređeno za nove misije.

Svemirska letjelica Voyager 1, koja je 1977 godine lansirana sa zemlje i koja je, kako je nova znanstvena studija pokazala, prošle godine napustila sunčev sustav i ušla u međuzvjezdani prostor, u sebi ima plutonijevu bateriju. To znači da neće signale slati vječno, već do, kako znanstvenici procjenjuju, oko 2025. godine. Legendarni Voyager 1 tad će se pretvoriti u mrtav komad tehnologije, koji nosi darove sa Zemlje jureći svemirskim ništavilom prema kakvoj god sudbini, koja ga čeka.

NASA-in ‘Problem’

Posljedice nestašice plutonija-238 za daljnja istraživanja u svemiru su velike – bez tog goriva nećemo moći istražiti 99 posto Sunčevog sustava. NASA-i polako ali sigurno istječe vrijeme oko tog ‘Problema’, kako ga nazivaju njezini znanstvenici.

Ipak, nije sve tako crno, odnosno ne mora biti, jer sva infrastruktura potrebna za proizvodnju plutonija-238, kao i sirovi materijali su već izgrađeni i spremni za uporabu. Američka vlada je nedavno potrošila 10 milijuna dolara kako bi se obnovila proizvodnja, koja je zaustavljena prije dvadeset godina i padom ‘Željezne zavjese’. U ožujku ove godine američko ministartvo energetike uspjelo je i proizvesti malu količinu plutonija u nuklearnom reaktoru u saveznoj državi Tennessee.

To je svakako obećavajući početak, ali je isto tako to daleko od rješenja za novonastalu krizu. Kao i u mnogim drugim slučajevima, neznanje političara i kratkovidno prepiranje te lažna obećanja iz Rusije i mjere štednje u proračunu NASA-e, koji se konstantno smanjuje, bit će ogromne prepreke svestranom sustavu proizvodnje plutonija-238 u SAD-u.

U jednoj kratkoj rečenici, moglo bi se reći kako je razumljivo istraživanje Sunčevog sustava dovedeno na rub ponora. Jedna ambiciozna svemirska misija mogla bi potrošiti sve zalihe plutnoija, a bilo kakav problem u budućoj nabavci plutonija iz drugih izvora mogao bi uroziti buduće misije.

Hladni rat – zlatno doba za proizvodnju plutonija-238

Tijekom Hladnog rata, sva proizvodnja plutonija-238 (koji je usput rečeno u potpunosti neiskoristiv u proizvodnji nuklearnog naoružanja), dolazila je iz dva izvora u SAD-u – Hanford Site u Washingtonu te River Site u Južnoj Karilini. Samo potonji je tijekom Hladnog rata proizveo oko 160 kilograma plutonija-238, koji je iskorišten za napajanje špijunskih letjelica i satelita te desetaka NASA-inih svemirskih letjelica.

Padom ‘Željezne zavjese’ i nekih starih animoziteta te politike detanta, nestala je i potreba za proizvodnjom i gomilanjem nuklearnih arsenala, a zamijenila ju je proliferacija istog. No Rusija je i dalje nastavila proizvoditi plutonij-238 pa je Amerikancima 1993. godine prodala 16 kilograma po cijeni od 45.000 dolara za 28 grama (jednu uncu). Postali su jedini dobavljač plutonija-238 na Zemlji, ali su isto tako i vrlo brzo počeli zaostajati za narudžbama. 2009. godine su pobjegli od dogovora o prodaji 10 kilograma plutnija-238 SAD-u.

‘Ono što znamo jest da ga više nisu voljni prodavati’, kaže Alan Newhouse, umirovljeni konzultant za svemirska istraživanja, koji je predvodio prvu kupnju plutonija-238 od Rusa. Prema priči koju kaže da je čuo, niti Rusi više nemaju plutonija-238 za prodaju.

Prioriteti, prioriteti…

S druge strane, plutonij-238 nije, kao što bi to zbog teme ovog članka mogli pomisliti, bio korišten primarno za svemirska istraživanja. NASA je, čini se, dobivala ostatke, nakon što je ogroman dio potrošen u špijunsku opremu i ostvarenje projekata koji povećavaju kapacitete američke nacionalne sigurnosti. u tom smislu od 39,5 kilograma plutnija-238 kojeg je SAD imao 2005., čak dvije trećine su potrošene u te programe.

Sa 16 kilograma u zalihi ukupno, NASA-in program istraživanja svemira ostavljen je da gleda u prazno – osobito misije visokog profila, poput satelita kojeg se želi poslati u orbitu oko Jupiterovog mjeseca Europa, koji bi sam trebao više plutonija-238 nego što SAD trenutno ima.

‘Ako planirate misiju, čije će samo planiranje trajati osam godina, prva stvar koju želite znati jest hoćete li imati dovoljno energije za njezinu provedbu’, ističe Alice Coponiti, nuklearna inženjerka, koja predvodi napore američkog ministarstva energetike u ponovnom pokretanju proizvodnje plutonija-238. Zbog te činjenice osam NASA-inih robotskih istraživačkih misija u svemiru, već imaju odgode ili su u potpunosti otkazane kroz narednih 15 godina!

Američko nadležno ministarstvo smatra kako se sa skromnim ulaganjem od 10 do 20 milijuna dolara godišnje do 2020. može proizvesti između 1,5 i 5 kilograma plutnoija-238 godišnje, a to je dovoljno da vrati život u NASA-ina svemirska istraživanja.

Problem na ‘Problem’

Plutonij-238 se najlakše izrađuje od neptunija, koji je susjedni element plutoniju u periodičkom sustavu elemenata te stabilni nusprodukt nuklearnih rekatora iz doba Hladnog rata.

Kad se plutonij-237 stavi u jezgru nuklearnog reaktora, koju čine šipke urana, svako malo dolazi do reakcije u kojoj se stvaraju atomi plutonija-238. Dakle, propadajući uran emitira neutrone, koje svako malo u sebe prima neptunij-237 da bi kasnije otpustio jedan elektron i postao plutonij-238. Nakon godinu do dvije dana, kad nestanu štetni izotopi, šipke neptunija se umaču u kiselinu te se tim procesom odvaja plutonij, a neptunij se opet reciklira za novu uporabu.

Neizbježno radioaktivno propadanje i ograničen prostor reaktora znače da je potrebno između 5 i sedam godina da bi se proizvelo oko kilogram i pol plutnoija-238, spremnog za baterije. Stoga si NASA ne može priuštiti gomilanje zaliha, ali niti misije koje zahtijevaju ogromne količine plutonija. Dosadašnje baterije koje koriste zovu se višenamjenski termoelektrični generatori i troše velike količine plutonija-238.

Drugim riječima, NASA treba i novu vrstu baterije.

ASRG

U napučenom podrumu NASA-ingo Istraživačkog centra Glenn u Clevelandu, metalni kavezi i prozirne plastične kutije u sebi drže čitav niz zujećih naprava. Jedni izgledaju kao šipke od nehrđajućeg čelika duge oko jednog metra, koje su omotane mnoštvom žica, dok drugi kao bijele transportne kutije, veličine dvije komode.

Te su naprave NASA-in moguć odogovor na problem s nuklearnim baterijama, u obliku prototipa nazvanog Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG). Radi se o radikalnoj novoj nuklearnoj bateriji, koja je puno učinkovitija od one koja se i dan danas koristi.

Taj generator za rad treba toplinu, a što je veća razlika između njegovih vrućih i hladnih dijelova, više energije proizvodi. Unutar cijevi od namotane žice lebdi magnetski klip, kojeg gura zagrijani plin vodik unutar zatvorene komore. Zagrijani vodik se širi i gura magnetski klip, koji zauzvrat proizvodi električnu energiju. Helij koji se hladi vraća se prema izvoru topline i povlači klip sa sobom te čitav proces tako ide u krug.

‘Ništa se ne dodiruje unutra. To je čitava ljepota tog pretvarača’, ističe Lee Mason, jedan od NASA-inih inženjera koji rade na tom prototipu u navedenom podrumu istraživačkog centra.

Na svakih 100 vata topline, taj generator uspije pretvoriti nešto više od 30 vata u električnu energiju, što je gotovo šest puta učinkovitije od nuklearne baterije koja napaja rover Curiosity, primjerice. Praktično govoreći, na jednu četvrtinu uloženog plutonija-238, generator vraća minimalno 25 posto toplinske energije u obliku struje. Manje plutnoija znači i lakši motor letjelice.

Ipak, ASRG je komplicirani komad tehnologije, koji neke znanstvenike brine i to zbog njegovih pokretnih dijelova. Zašto? Znanstvenike brine da bi pokretni dijelovi unutar generatora mogli poremetiti rad instrumenata u svemirskim letjelicama, koji moraju biti superosjetljivi, kako bi mogli mjeriti polja gravitacije, elektromagnetizam i druge suptilne fenomene u svemiru.

U NASA-i su tome pokušali doskočiti na način da svaki generator koristi zapravo dva Stirlingova pretvarača jedan nasuprot drugom, dok računalo konstantno sinkronizira njihove pokrete, kako bi se izbjegle i najmanje vibracije. Naravno, znanstvenici su stabilnost provjeravali u bateriji ekstremnih testova, ali kako NASA tipično testira nove tehnologije u trajanju jednog i pol njihovog životnog vijeka prije slanja u svemir.

NASA je pokrenula desetak tih uređaja istovremeno, a najstariji radi kontinuirano već deset godina. Ukupno, ASRG-ovi rade kombinirano već 50 godina pa je čitav postupak dovoljno ubrzan da se već krenulo u izgradnju dva generatora spremna za let u svemiru.

Ipak, niti ASRG neće riješiti problem, jer ako ga se i počne koristiti, on će zalihe plutnonija-238 protegnuti samo do 2022. godine. Svijetu je potrebno to radioaktivno gorivo, ako se doista ozbiljno želimo baviti svemirskim istraživanjima. Ili to, ili neko brzopotezno revolucionarno otkriće na tom polju, koje bi u par godina radikalno olakšalo čitav problem. Nastavak proizvodnje plutonija-238 ipak se čini izglednijim od toga.

Dnevnik.hr

 

Komentari su zatvoreni.