Sudie, plutoni

Šaltojo karo plutonio atsargos, maitinančios NASA tolimojo kosmoso zondus, baigia išsekti. Iš kur energijos semsis būsimos misijos į Saulės sistemos pakraščius?

Toliau, nei už 18 milijardų kilometrų, „Voyager 1“ kerta patį Saulės sistemos pakraštį. Jeigu jo instrumentai rodo teisingai, zondas galiausiai ruošiasi žengti į nežinią – stingdančią tarpžvaigždinės erdvės tuštumą. Tai 35 metus trunkančios jo kelionės kulminacija.

NASA labiausiai nutolusiam zondui ilgaamžiškumą teikia šilta plutonio-238 širdis. Šalutinis branduolinių ginklų gamybos produktas skildamas kaista, o šiluma verčiama į „Voyager“ instrumentus maitinančią elektrą. Inžinieriai tikisi, kad zondas duomenis siųs dar maždaug dešimtmetį, prieš dingdamas tuštumoje.

Nuo septintojo dešimtmečio šis plutonio izotopas vaidino svarbų vaidmenį tolimosiose kosmoso misijose, daugiausiai zonduose, skriejančiuose per toli nuo Saulės, kad būtų praktiška naudoti fotoelementų baterijas. Pavyzdžiui, „Galileo“ misija į Jupiterį, „Pioneer“ ir „Voyager“ zondai taip pat „maitinosi“ juo, lygiai kaip „Cassini“ palydovas, Saturno mėnuliuose, be kitų įdomybių, atradęs etano ežerus ir ledinius geizerius.

Bet nepaisant daugelio sėkmių, tokios misijos greitai gali likti praeityje. Plutonio-238 gamyba sustabdyta prieš dešimtmečius ir kosmoso agentūros sandėlių atsargos pavojingai mažos. Be jų papildymo, išorinių Saulės sistemos ribų tyrimas gali visiškai sustoti.

Problema ta, kad plutonį-238 pagaminti nėra paprasta, nei pigu, ir gamybos linijos paleidimas iš naujo užtruks keletą metų ir kainuos apie 100 milijonų dolerių. Nors NASA ir JAV Energetikos departamentas (ED) to siekia, kol kas Kongresas atsisako paskirti būtinas lėšas.

Bet gali būti geresnis būdas tai atlikti. NASA susirinkime kovą, Kosmoso branduolinių tyrimo centro (CSNR) fizikai pasiūlė radikalią išeitį, kuri, kaip jie sako, turėtų patenkinti visas puses. Tai būtų greitesnis, švaresnis ir pigesnis būdas, kuris pasiūlytų komerciniais pagrindais veikiančią liniją, kuri ne tik patenkintų NASA poreikius, bet ir smarkiai sumažintų išlaidas.

Tad, ką daryti? Šios medžiagos gamybą komercializavus, kaip siūlo CSNR, palengvėtų biudžeto našta, bet idėjos kritikai nerimauja, kad gali nukentėti saugumas. Plutonis yra viena iš nuodingiausių mokslui žinomų medžiagų – izotopai yra galingi alfa dalelių šaltiniai ir mirtini įkvėpus. CSNR mokslininkai teigia, kad laikas ir pinigai, būtini iš naujo paleisti plutonio gamybos liniją, geriau būtų panaudoti, vystant saugesnes alternatyvas. Tad ar tai yra ideali proga atsisveikinti su šia Šaltojo karo laikų technologija ir sukurti naujus, švaresnius kosminių zondų energijos šaltinius iš kurių naudos gautų ir žemiečiai?

Plutonis-238 suvaidino pagrindinį vaidmenį beveik visose NASA ilgalaikėse kosminėse misijose ne veltui: jis kuria šilumą išskirdamas alfa daleles, o kadangi jo pusinio skilimo periodas trunka apie 87 metus, medžiaga ýra lėtai. Uždarytas radioizotopų termoelektriniame įrenginyje, yrantis plutonis kaitina termoporą, gaminančią elektros srovę. Kiekvienas plutonio-238 gramas sukuria maždaug pusę vato galios. Vidutiniškai NASA įvairių prietaisų maitinimui kasmet sunaudodavo porą kilogramų šio izotopo.

Gamtoje šio izotopo (beveik) nėra. Panašiai, kaip ir branduolinėje ginkluotėje naudojamas jo pusbrolis plutonis-239, jis buvo sukurtas reaktoriuose, gaminusiuose medžiagas branduolinėms bomboms, bet JAV gamybą sustabdė 1988 metais, kai šios įmonės buvo uždarytos. Siekdama užpildyti šią spragą, JAV pirko plutonį-238 iš Rusijos iki 2009 m., kai, nesutariant dėl kontrakto sąlygų, tiekimas buvo nutrauktas. Žinant dabartinę Rusijos padėtį, abejotina, ar bus sudarytas naujas sandoris.

Tad JAV valdžia turi apsispręsti – atnaujinti gamybą ar ne. Pasak JAV Nacionalinės tyrimų tarybos 2009 m. pranešimo, NASA dar turi maždaug 5 kilogramus šio gėrio, kurio turėtų užtekti iki dešimtmečio pabaigos. ED atstovai sako, kad jei pradėtų darbus nedelsdami, nuo 2018 metų galėtų pateikti po du kilogramus medžiagos kasmet – pačiu laiku pripildyti NASA lentynas. Bet surasti finansavimą labai nelengva. NASA sutiko pasidalinti rūpesčiu ir išleido apie 14 milijonų USD studijoms, kiek kainuotų iš naujo paleisti gamybos liniją, kuri greičiausiai bus Oak Ridge Nacionalinėje laboratorijoje Tenesyje. Tačiau kaštai vėliau gali pasiekti 150 milijonų USD, baiminasi kai kurie tyrimo tarybos nariai, o Kongresas nerodo jokio noro skirti pinigų tiesiogiai ED.

Savaime aišku, plutonio-238 gamyba – labai brangus užsiėmimas. Įprastai jis gaunamas, įdėjus gabalą neptūnio-237 į galingą branduolinį reaktorių ir švitinant jį neutronais nuo pusmečio iki metų. Tada plutonis-238 nuo kitų susidarančių skilimo produktų atskiriamas ir išgryninamas.

NASA Inovatyvių pažangių koncepcijų (NIAC) simpoziume kovą, Stevenas Howe'as iš CSNR pasiūlė tai, kas galėtų tapti paprastesnis ir pigesnis gamybos būdas. Siūloma naudoti mechaninę padavimo liniją, sulenktą vamzdį, gaubiantį reaktoriaus šerdį. Mažos, keleto gramų, neptūnio-237 kapsulės būtų stumiamos per šį vamzdį ir reaktoriuje praleistų vos kelias dienas. Išėjusios kitame gale, jos būtų perdirbamos – plutonis-238 išskiriamas, o likęs neptūnis-237 vėl siunčiamas atgal pakartoti maršrutą. Per kiekvieną perėjimą 0,01 % neptūnio paverčiama plutoniu, tad, norint gauti kilogramus NASA reikalingo plutonio, ciklą reikėtų kartoti tūkstančius kartų.

Ši technologija suteikia svarbių pranašumų, tarp kurių trumpesnis švitinimo laikas, dėl ko susidaro mažiau skilimo produktų. Tai supaprastina cheminės separacijos procesą ir gaunama mažiau radioaktyvių atliekų. Be to, šis būdas veikia ir mažesniuose reaktoriuose, kurie daug pigesni už nacionalinės laboratorijos įtaisus, būtinus senajam procesui vykdyti. Howe'as netgi regi linijų komercializavimo perspektyvą, kad NASA ir ED tiesiog pirktų galutinį produktą, užuot išlaidavusios visam gamybos procesui.

Su šia koncepcija dirbančiai CSNR komandai jau skirta 100 000 USD parama iš NIAC ir pasiūlyta sukurti neptūnio kapsulių tiekimo linijos prototipą bei pademonstruoti, kad galima mechaniškai jas stumti per aktyviąją zoną, bei atlikti tolesnį separavimą. Howe'as mano, kad jie galėtų paruošti ir paleisti procesą vos per trejus metus ir tai kainuotų apie 50 milijonų USD – perpus pigiau, nei senojo gamybos būdo atnaujinimas – ir galėtų sukurti apie 1,5 kilogramo plutonio-238 kasmet.

Nors komandai dar teks nustatyti optimalų švitinimo laiką, nuolatiniam procesui, lyginant su kelių kilogramų gabalo konvertavimu dukart per metus, reikia mažesnių įrengimų ir tai kainuoja pigiau. O jeigu už kilogramą bus prašoma 6 milijonų dolerių – mažiau, nei paskutinis Rusijos pasiūlymas – šis procesas verslininkams apsimokėtų, sako Howe'as. „Panašiai, kaip yra komerciniai kosminiai skrydžiai, mes komercializuojam plutonio gamybą“, – paaiškina jis.

Nepaisant to, ar Howe'o technika taupo pinigus ar net juos uždirba, naujos gyvybės įkvėpimas plutonio gamybai patinka ne visiems. Plutonis-238 yra itin toksiškas, o avarijos raketų paleidimo metu ar vėliau galėtų paskleisti jį atmosferoje. Pavyzdžiui, 1964-aisiais, JAV laivyno navigacijos palydovas iš orbitos įskrido į atmosferą ir suiro, paskleisdamas 1 kilogramą plutonio-238 visoje planetoje, daugmaž dvigubai daugiau, nei atmosferoje paskleista, bandant ginklus. Nors plutonio konteinerių dizainas buvo pakeistas taip, kad ištvertų grįžimą į atmosferą, „Cassini“ zondo praskridimas netoli Žemės 2006 m. sukėlė plačius viešus protestus.

Plutonio gamybos atnaujinimas yra „labai bauginanti galimybė, – sako Bruce'as Gagnonas iš Pasaulinio tinklo prieš ginklus ir branduolinę energiją kosmose, įsikūrusio Brunswicke, Meino valstijoje. – Tai akivaizdžiai rodo, kad branduolinė pramonė mato kosmosą kaip naują rinką. Tai panašu į žaidimą rusiška rulete.“ Gagnoną taip pat neramina komercinės gamybos linijos perspektyvos. „Parodžius pelno galimybę, pradedami nukirtinėti kampai“, – sako jis.

Dar nerimaujama dėl platinimo ir politinio kapitalo. Nors plutonis-238 negali būti panaudotas branduolinių ginklų gamybai, apie neptūnį-237 to paties pasakyti negalima. Tai tinkama ginklams medžiaga: bombarduojamas greitaisiais neutronais, jis gali palaikyti grandininę reakciją be nestabilaus terminio irimo. Edwinas Lymanas iš Susirūpinusių mokslininkų sąjungos (Union of Concerned Scientists), įsikūrusios Kembridže (Masačusetse), mano, kad atsižvelgiant į grėsmes saugumui, kosmoso tyrimuose prioritetas turėtų būti teikiamas nebranduoliniam energijos generavimui. „Turi būti nuodugniai ištirtos visos alternatyvos, – teigia jis. – Jeigu JAV atnaujins [plutonio gamybą], sunkiau atkalbėsime kitas šalis nuo tokių pat veiksmų, jeigu jos nuspręstų gamintis plutonį-238.“

„Tam reikia naujų fotoelementų, galinčių susitvarkyti su ekstremaliomis Saulės sistemos pakraščių sąlygomis“, – sako Jamesas Fincannonas iš NASA Glenno Tyrimų centro. Lengvų ir efektyvių fotoelementų kūrimas vyksta labai intensyviai, sako jis. Jei šių skydelių masė ir kaina galėtų būti dar labiau sumažinta, ir jei zondo funkcionavimui reikalinga energija būtų apribota iki mažiau, nei 300 vatų – maždaug pusės Galileo zondo poreikių – Fincannonas teigia, kad 250 m² skydo turėtų pakakti zondo veikimui iki pat Urano. Gagnonas su tokiu teiginiu sutinka. „Jau seniai sakome, kad Saulės energija galėtų veikti net tolimame kosmose“, – sako jis.

Yra plutonio nenaudojančių būdų tiekti energiją kosminiams aparatams, tyrinėjantiems dar tamsesnius Saulės sistemos tolius, kur Fincannono fotoelementų skydeliai nebeveiktų. NIAC simpoziume, kuriame Howe'as aptarė plutonio gamybos procesą, Michaelas Paulas iš Pensilvanijos valstijos universiteto Taikomųjų tyrimų laboratorijos pristatė naujovišką variklį, galintį tiekti energiją aparatui debesų dengiamuose pasauliuose, kur maža šviesos.

Tarkime, Veneroje. Paulas siūlo jungti litį su anglies dvideginiu iš šios planetos atmosferos ir taip gauti karštį Stirlingo varikliui – šilumos siurbliui, naudojančiam temperatūrų skirtumą su generatoriumi sujungto cilindro judinimui. Sistemai nereikėtų branduolinių medžiagų paleidimo į kosmosą, ji galėtų tiekti labai didelę galią ir galėtų būti pakeista darbui Titane, Marse ar net amžinoje Mėnulio pietų ašigalio tamsoje, tvirtina jis. Paulas mano, kad toliau vystant technologiją, ji galėtų būti parengta skrydžiams iki 2020 metų. „Ši energijos sistema galėtų atverti visiškai naujas galimybes, kurios dabar nevykdomos, nes neturime pakankami plutonio“, – sako jis.

Paulas pripažįsta, kad šie ličiu varomi įrenginiai veiktų labai trumpai, lyginant su plutoniu maitinamų įrenginių veikimo dešimtmečiais. „Penkiasdešimt darbo metų parodė, kad yra sričių, kuriose [plutoniui] nėra alternatyvų – taškas, – sako Ralphas McNuttas iš Johnso Hopkinso universiteto Taikomosios fizikos laboratorijos. – Bet kadangi tai yra radioaktyvių energijos šaltinių alternatyva, turėtume jomis pasinaudoti“. Fincannonas pritaria: „Visada tinkamas laikas surasti alternatyvų energijos šaltinį.“

Be to, pinigai, išleisti lengvų fotoelementų skydelių ar efektyvesnių Stirlingo variklių tobulinimui, duoda naudos ir čia, Žemėje. Inžinieriai jau tiria būdus, kaip metalo miltelius paversti automobilių kuru, ir Paulas mano, kad ši technologija galėtų pratęsti ir povandeninių misijų laiką. To paties nebūtų galima pasakyti apie plutonį-238. Kadaise naudotas, kaip širdies stimuliatorių energijos šaltinis, dėl grėsmių saugumui ir sveikatai jis nebėra laukiamas svečias.

Tad kokį kelią pasirinks NASA? Howe'as kupinas ryžto kautis plutonio ringo kampe ir neseniai pristatė pasiūlymą agentūrai. Kalbant apie kosmosą, ši galių kova dar nebaigta.