Καθώς το 2018 πλησιάζει στο τέλος του, οι επιστήμονες της NASA γιορτάζουν ένα ορόσημο: για δεύτερη φορά στην ανθρώπινη ιστορία, ένα λειτουργικό διαστημικό σκάφος εγκαταλείπει το ηλιακό σύστημα. Το Voyager 2 μαζί με το δίδυμο σκάφος Voyager 1, είναι τα δύο μοναδικά ανθρώπινα αντικείμενα που πέρασαν πέρα από την ηλιόπαυση και εισέρχονται στο διαστρικό διάστημα. Παρά το γεγονός ότι είναι πάνω από 40 ετών και παρά το γεγονός ότι απέχει πολύ από οποιοδήποτε άλλο διαστημικό σκάφος, εξακολουθούμε να λαμβάνουμε μηνύματα από αυτές τις αποστολές στο βαθύ διάστημα.
Ένα σφαιρίδιο οξειδίου του πλουτωνίου, το οποίο είναι ζεστό στην αφή και ‘ανάβει’ μόνο του. Το Pu-238 είναι ένα μοναδικό ραδιοϊσότοπο ιδανικό για καύσιμα στις αποστολές στο διάστημα. Ωστόσο, δεν έχουμε αρκετό από αυτό, και δεν παράγεται αρκετά πιο γρήγορα.
Γιατί αυτό; Επειδή το διαστημόπλοιο Voyager, όπως και η συντριπτική πλειοψηφία των επιτυχημένων αποστολών μας που έχουν ταξιδέψει στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα, τροφοδοτούνται από μια συγκεκριμένη ραδιενεργή πηγή, το Pu-238. Την παράξαμε σε μεγάλη αφθονία από τη δεκαετία του 1940 μέχρι τη δεκαετία του ’80, αλλά δεν παράγουμε πλέον κάτι τέτοιο. Γι αυτό, τα σχέδια της NASA για την αποστολή μεγάλων διαστημικών αποστολών είναι εξαιρετικά περιορισμένα. Αυτό είναι το πρόβλημα, αλλά τι μπορούμε να κάνουμε γι ‘αυτό;
Η αποστολή New Horizons στον Πλούτωνα, ήταν ένα από τα πιο πρόσφατα διαστημικά οχήματα που κινούνται με RTG που βασίζονται σε πλουτώνιο.
Όποτε σχεδιάζετε μια αποστολή πέρα από τη Γη, πρέπει να αντιμετωπίσετε απολύτως την ανάγκη για ενέργεια. Ανεξάρτητα από το πού είμαστε, χρησιμοποιούμε όργανα που απαιτούν ενέργεια για τη συλλογή και την καταγραφή δεδομένων. Πρέπει να τις γράψουμε σε ένα μηχανισμό αποθήκευσης και να τις μεταδώσουμε στη Γη, ώστε να μπορεί να ληφθεί με επιτυχία. Όσο μακρύτερα από τον Ήλιο πάμε και για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα θέλουμε να λειτουργήσουμε την αποστολή μας, τόσο λιγότερο μπορούμε να στηριχθούμε σε συμβατικά καύσιμα, μπαταρίες ή ηλιακούς συλλέκτες.
Για δεκαετίες, οι αποστολές βαθιάς εξερεύνησης στο διάστημα μας κινούνταν από ένα ειδικό τεχνητό ισότοπο πλουτωνίου: το Pu-238. Με 94 πρωτόνια και 144 νετρόνια στον πυρήνα του, είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό ραδιενεργό υλικό. Με χρόνο ημιζωής 88 ετών, μπορεί να τροφοδοτεί διαστημικά σκάφη για δεκαετίες, εκπέμποντας ισχύ 568 W για κάθε κιλό που υπάρχει. Αλλά δεν έχουμε παράγει κανένα νέο Pu-238 για σχεδόν 30 χρόνια, και αυτή είναι μια καταστροφή για το σχεδιασμό της αποστολής σήμερα.
Το πλουτώνιο-238 είναι πολύ ξεχωριστό για το γεγονός ότι είναι ένα υλικό που δεν αποτελεί ουσιαστικά κανένα κίνδυνο για κανέναν εκτός κι αν το αλέσετε σε μια λεπτή σκόνη και το εισπνεύσετε. Μπορεί να αποθηκευτεί με τη μορφή οξειδίου του πλουτωνίου (PuO 2 ), η οποία είναι απίστευτα ανθεκτική σε κάθε είδους καταστροφές.
- Δημιουργεί ένα κρυσταλλικό πλέγμα, έτσι ώστε τα κομμάτια να μην σπάσουν ή να απομακρυνθούν. Είναι δηλαδή απίστευτα ανθεκτικό.
- Έχει ένα σημείο τήξης που είναι απίστευτα υψηλό: θα παραμείνει σταθερό έως ότου οι θερμοκρασίες υπερβούν τους 2700 ° C.
- Και είναι εξαιρετικά αδιάλυτο στο νερό, που σημαίνει ότι δεν καταρρέει ακόμα και αν αποτύχει η εκτόξευση ή η επανείσοδος και καταλήγει στον ωκεανό.
Αυτό το τελευταίο σενάριο συνέβη δύο φορές: με τις επανεισαγωγές του Nimbus B-1 (1968) και του σεληνιακού υποσυστήματος Apollo 13 (1970). Και οι δύο πηγές πλουτωνίου επέζησαν κατά την επανένταξή τους ανέπαφες και ανακτήθηκαν χωρίς οποιαδήποτε περιβαλλοντική μόλυνση.
Συνηθίζαμε να παράγουμε περισσότερα από 20 κιλά ετησίως Pu-238, επιτρέποντάς μας να δημιουργήσουμε δύο τεχνολογίες που ήταν ιδανικές για να εξερευνήσουμε το Σύμπαν πέρα από τη Γη.
- Μονάδες ραδιοϊσότοπων Θέρμανσης (RHU), οι οποίες θα εμπόδιζαν να ψυχθούν τα όργανα στο διαστημικό σκάφος από την υπερβολική θερμότητα που εκπέμπουν. Το οξείδιο του πλουτωνίου, όταν κατασκευάζεται με το Pu-238, είναι ζεστό στην αφή. Μόνο λίγα γραμμάρια Pu-238 θα μπορούσαν να είχαν σώσει το σκάφος Φίλα, το οποίο καταστράφηκε μετά τη συντριβή του στον Κομήτη Comet 67P / Churyumov-Gerasimenko.
- Οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων (RTG), οι οποίες είναι μικρές, συμπαγείς πηγές ενέργειας που εκπέμπουν θερμότητα σε συνεχή βάση, η οποία είναι εξαιρετικά χρήσιμη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Αυτή η τελευταία χρήση του Pu-238 στους RTG, είναι αυτό που καθιστά αυτή την πηγή καυσίμου τόσο ανεκτίμητη για τις αποστολές στο βαθύ διάστημα.
Σύμφωνα με τη NASA , αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο όσα σκάφη χρησιμοποιούν το Pu-238 είναι τόσο μοναδικά ισχυρά.
Το διοξείδιο του πλουτωνίου πρέπει να είναι το πρότυπο για τις αποστολές στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα. Οι ανιχνευτές του διαστήματος Pioneer 10 και 11 και Voyager 1 και 2 χρησιμοποίησαν το Plutonium-238 ως πηγή ενέργειας και έχουν πετύχει τόσα πολλά, επειδή αυτές οι πηγές είναι ελαφρές, συνεπείς και αξιόπιστες, είναι μακράς διαρκείας αυτο-ζεσταίνονται και δεν επηρεάζονται από παράγοντες όπως η σκόνη, η σκίαση ή η φθορά της επιφάνειας.
Ακόμα και μερικά κιλά ενός τροφοδοτούμενου με πλουτώνιο συσκευή RTG θα μπορούσαν να παράσχουν όλη την ενέργεια για μια αποστολή στο βαθύ διάστημα που απαιτείται για δεκαετίες. Μέχρι το 1987, σχεδιάζονταν να αυξήσουν την παραγωγή για να παράγουν 46 κιλά Pu-238 ετησίως, γεγονός που θα επέτρεπε πολλές αποστολές στο διάστημα, χωρίς να ανησυχούν για την εξάντληση αυτού του ζωτικού στοιχείου.
Ωστόσο, σταμάτησαν να παράγουν Pu-238 τα τέλη της δεκαετίας του 1980 στις ΗΠΑ. Ενώ οι περισσότεροι από εμάς λατρεύουν το τέλος του ψυχρού πολέμου και την παύση της παραγωγής των πυρηνικών όπλων που θα μπορούσαν να καταστρέψουν όλους μας, υπάρχει ένα επιστημονικό κόστος: οι εγκαταστάσεις που παράγουν τα σχάσιμα αυτά υλικά παρήγαγαν επίσης Pu-238. Χωρίς αυτή τη γραμμή παραγωγής, είμαστε καταδικασμένοι να εξαντλήσουμε αυτό το πολύτιμο, αναντικατάστατο περιουσιακό στοιχείο.
Οι επιστήμονες στο Εθνικό Εργαστήριο του Oak Ridge παράγουν 50 γραμμάρια Πλουτώνιο-238, τα οποία δίνουν ενέργεια στα πλανητικά ρόβερ και τις αποστολές στο βαθύ διάστημα της NASA. Το επόμενο έτος, η παραγωγή αναμένεται να πλησιάσει τα 454 γραμμάρια, με τελικό στόχο να φθάσει τα 1,5 κιλά ετησίως.
Το ρόβερ Mars Curiosity και η αποστολή New Horizons στον Πλούτωνα είχαν τεράστια πλεονεκτήματα από την τεχνολογία RTG. Η εκτόξευση της αποστολής Οδυσσέας Ulysses για τον έλεγχο της ηλιακής ακτινοβολίας του 1990 είχε ένα ωφέλιμο φορτίο που περιελάμβανε 11 χιλιόγραμμα Pu-238, το οποίο μπορεί να είναι το μεγαλύτερο ποσό πλουτωνίου που ξεκίνησε σε μια αποστολή.
Όμως, παρά την τεράστια επιτυχία των RTG και στις δύο αποστολές της NASA και της Σοβιετικής Ένωσης, οι πυρηνικοί μας φόβοι μας εμποδίζουν να παράγουμε τα κατάλληλα ποσά αυτού του υλικού ακόμα και σήμερα. Ως αποτέλεσμα, τα αποθέματά μας Pu-238 είναι τα χαμηλότερα που είχαμε ποτέ: Έχουμε αρκετό χρόνο να εξοπλίσουμε τώρα το ρόβερ του Mars 2020 και για μια ενιαία αποστολή στο βαθύ διάστημα, όπως η αποστολή Europa Clipper, στα μέσα της δεκαετίας του 2020. Πέρα από αυτό, κάτι θα πρέπει να κάνουμε ή να αποκτήσουμε περισσότερα.
Τα τελευταία 25 χρόνια, σχεδόν όλο το Pu-238 που χρησιμοποιήθηκε στις αποστολές της NASA έχουν αγοραστεί από τη Ρωσία, συνολικού ύψους άνω των 16 κιλών. Έχουν γίνει μερικές προσπάθειες για επανεκκίνηση της παραγωγής του Pu-238 εδώ στη Βόρεια Αμερική, αλλά η επένδυση είναι μικροσκοπική σε σύγκριση με ό, τι συνέβαινε στη δεκαετία του 1980.
Το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge επανέφερε την παραγωγή του Pu-238 το 2013, σηματοδοτώντας την πρώτη φορά στα 25 χρόνια που το Pu-238 είχε παραχθεί στις Ηνωμένες Πολιτείες. Παρόλο που η σημερινή παραγωγή αποδίδει μόνο λίγες εκατοντάδες γραμμάρια ετησίως, το εργαστήριο έχει το τελικό στόχο να αυξήσει μέχρι 1,5 κιλά ετησίως το 2023 το νωρίτερο.
Η παραγωγή ενέργειας στο Οντάριο στον Καναδά άρχισε επίσης να παράγει Pu-238 , με στόχο να χρησιμοποιηθεί ως συμπληρωματική πηγή για τη NASA.
Το μεγαλύτερο πρόβλημα είναι ότι έχουμε μεγάλα όνειρα να εξερευνήσουμε το Σύμπαν. Θέλουμε να στείλουμε μια αποστολή όχι μόνο στην Ευρώπη αλλά και στον Εγκέλαδο και στον Τρίτωνα για να ερευνήσουμε τη δυνατότητα της ζωής στους υπόγειους ωκεανούς τους. Θέλουμε να κάνουμε μια αποστολή στον Ουρανό και τον Ποσειδώνα , που δεν έχουν ακόμη καμία. Έχουμε όνειρα να εξερευνήσουμε πολυάριθμους κόσμους στη ζώνη Kuiper. Θέλουμε να στείλουμε ένα ανιχνευτή στο Sedna (το οποίο ήταν το πρώτο εντελώς ανεξάρτητο αντικείμενο που ανακαλύφθηκε ποτέ) , και να ανακαλύψουμε τι κρύβει ένα αντικείμενο που μπορεί να προέρχεται από το Νέφος του Oort;
Αλλά χωρίς την ικανότητα να τροφοδοτούμε αυτές τις αποστολές, αυτό δεν θα συμβεί ποτέ. Οι ηλιακοί συλλέκτες, οι μπαταρίες και τα χημικά καύσιμα απλά δεν θα κάνουν τη δουλειά. Εάν θέλουμε οι αποστολές αυτές να λειτουργούν με τον καλύτερο τρόπο, πρέπει να τις εξοπλίσουμε με μία συσκευή θέρμανσης RTG. Από την άποψη της ασφάλειας, της απόδοσης, του βάρους, της ισχύος και της βελτιστοποίησης του σχεδιασμού, το Pu-238 καμιά άλλη λύση δεν είναι παρόμοια.
Ήρθε η ώρα να αποφασίσουμε τι είδους κόσμος θέλουμε να είμαστε. Θέλουμε να είμαστε μόνοι μας, απομονωμένοι στο Σύμπαν, που βυθίζονται στο γήινο χάος μας για πάντα; Ή θέλουμε να επενδύσουμε σε κάτι πέρα από τον πλανήτη Γη; Θέλουμε όχι μόνο να κοιτάζουμε τα αστέρια, τους γαλαξίες και τα μακρινά όρια του χώρου με τα τηλεσκόπια που χτίζουμε, αλλά να στέλνουμε ανιχνευτές στην άκρη του ηλιακού μας συστήματος και πέρα από αυτό;
Αν το κάνουμε, πρέπει να θέσουμε εκτός μάχης τους παράλογους φόβους μας και να επενδύσουμε στους πόρους που απαιτούνται για να μην επιτρέψουμε μόνο στη σημερινή γενιά, αλλά και τις μελλοντικές γενιές να χαρούν τις αποστολές στο διάστημα. Αποφασίζοντας όμως ότι δεν πρόκειται να αποκτήσουμε αυτή τη γνώση, παραιτούμαστε από το μέγιστο πλεονέκτημα που μπορεί να μας προσφέρει η επιστήμη: μια συνειδητοποίηση και εκτίμηση για το ίδιο το Σύμπαν και την αξία της διαδικασίας ανακάλυψης όσων υπάρχουν εκεί έξω.
