Pluton 238 produkowany przez prywatną firmę niedługo po 2020 roku - ale po co?

Doktor Brown w pierwszej części Powrotu do Przyszłości rzuca myśl, że prawdopodobnie pluton w 1985 roku można kupić w kioskach. Mamy już 2017 rok i nadal nie jest to możliwe, a nawet chyba jest niepotrzebne. Lecz już niedługo produkcja Plutonu 238 przez prywatne firmy, na potrzeby eksploracji Kosmosu, może stać się faktem.

Dla rozwiania obaw, mowa o Plutonie 238, a nie Plutonie 239, który jest wykorzystywany przy produkcji broni masowego rażenia.

Po co nam Pluton 238

Pluton 238 to izotop rozszczepialny, który rozpada się w naturalny sposób do Uranu 234. Dla niewtajemniczonych numer przy nazwie pierwiastka to liczba protonów i neutronów w jego jądrze, czyli inaczej mówiąc tak zwana liczba masowa (pozwala zgrubnie ocenić własności).

Wspomniany rozpad wiąże się z emisją cząstki alfa (inaczej rzecz biorąc to jądro helu) i emisją energii cieplnej. Ta energia jest wykorzystywana w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych, które zasilają różnorakie urządzenia wysyłane w Kosmos.

Tak wyglądają generatory stosowane przez NASA - to ten czarny walec

Dlaczego akurat tam? Ponieważ z dala od Słońca lub tam gdzie liczy się nieprzerwana długa praca (na przykład na powierzchni Marsa) niezależnie od warunków pogodowych, jest to obecnie jedyny sensowny sposób zapewnienia energii elektrycznej. Ze względu na dość długi 88-letni czas połowicznego rozpadu (czyli czas w którym połowa jąder plutonu zamieni się w uran), generatory działające na pluton mogą pracować przez długie lata bez wymiany paliwa. Poza tym "tankowanie" i tak jest opcją, której nie bierze się pod uwagę, ze względu na odległość zasilanych w ten sposób pojazdów kosmicznych od Ziemi.

Generator z tyłu łazika Curiosity (w białej obudowie) na powierzchni Marsa

Pluton 238 jest wyjątkowo niezawodnym źródłem energii dlatego już od początku eksploracji Kosmosu był wykorzystywany. Z plutonowego paliwa korzystały misje Apollo 11 i kolejne, sondy Pioneer 10, 11, sondy Voyager 1,2, a także Cassini oraz New Horizons. Jądrowe paliwo wykorzystuje również przemierzający pustkowia Marsa łazik Curiosity, znajdzie się ono także na pokładzie kolejnych łazików NASA i ESA.

Niewielkie próbki Plutonu 238 są stosowane także w radioizotopowych grzałkach, które utrzymują elektronikę w wystarczającej do pracy temperaturze.

Jak jest produkowany Pluton 238

Pluton 238 to pierwszy izotop tego pierwiastka jaki odkryto (w roku 1940). Jego jądro składa się z 94 protonów i 144 neutronów. Choć jest promieniotwórczy, to by zabezpieczyć się przed emisją promieniowania wystarczy zwykła kartka papieru. Sam Pluton 238 jest ciężki, 20 razy cięższy niż woda. W radioizotopowych generatorach termicznych wykorzystywana jest jego forma ceramiczna (dwutlenek plutonu), która jest dwa razy lżejsza niż czysty Pluton 238.

Pluton występuje w naturze w śladowych ilościach (powstaje w podobny sposób w jaki produkowany jest sztucznie). Dużo więcej jest Plutonu, który stanowi pozostałość po próbach jądrowych w drugiej połowie XX wieku. W atmosferze może znajdować się nawet kilka ton.

By wytworzyć Pluton 238 należy napromieniować wiązką neutronów próbkę pierwiastka Neptun 237, który z kolei powstaje w reaktorach badawczych. W ten sposób tworzymy nietrwały izotop Neptun 238, który natychmiast rozpada się do Plutonu 238. Ten jak powiedziałem, jest już stosunkowo trwały.

Masowa produkcja Plutonu 238 w Stanach Zjednoczonych zakończyła się w 1988 roku i po wyczerpaniu zapasów do 2010 roku zasoby były uzupełniane zakupami w Rosji. Potem współpraca się popsuła, a dziś administracja prezydenta Trumpa wręcz naciska, by ograniczyć się do własnej produkcji i nie negocjować w przyszłości zakupów od Rosjan.

Jeden gram Plutonu 238 kupowanego od Rosjan kosztował około 1600 dolarów, co oznacza że dla zasilenia jednego kosmicznego próbnika konieczna była inwestycja około 8 milionów dolarów. Dziś koszty byłyby co najmniej kilkukrotnie wyższe.

W 2013 rozpoczęto testy w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) w Tennessee, których celem było ponowne rozpoczęcie produkcji Plutonu 238 w Stanach Zjednoczonych. Do 2015 uzyskano 50 gramów tego izotopu, co nie satysfakcjonowało NASA. Planowana produkcja ma wynieść około 400 gramów rocznie, w przyszłości jeszcze więcej, ale to nadal za mało by zapewnić samowystarczalność.

Ile potrzebujemy Plutonu 238?

To ile Plutonu 238 jest potrzebne zależy od konstrukcji generatora, ale też zapotrzebowania na energię całego pojazdu. NASA dysponuje generatorami, które wymagają ładunku około 4,5 kilogramowego by wytworzyć 110W energii, a to oznacza, że pełnowartościowych zapasów Plutonu 238 (około 30-35 kg) wystarczy na co najwyżej 4 misje. Potem zapasy będzie trzeba uzupełnić i stąd potrzeba zabezpieczenia się dostawami od prywatnych producentów.

Pluton i obawy przed skażeniem

Pluton 238 emituje duże cząstki, które nie są wchłaniane przez ludzki organizm, a zatem promieniowanie zewnętrzne jest stosunkowo niewielkim zagrożeniem.

Dwutlenek plutonu topi się w temperaturze 2660 stopni (choć sam rozgrzewa się do czerwoności pod wpływem własnego promieniowania - ilustracja poniżej), słabo rozpuszcza się w wodzie. Ryzyko zanieczyszczenia środowiska za pomocą tego izotopu przy odpowiednim jego zabezpieczeniu jest bardzo niewielkie. Podczas misji Apollo 13 pojemnik z Plutonem 238 został utracony - zatonął w oceanie. Na szczęście nie wykryto potem efektów ubocznych.

Rozgrzany dwutlenek Plutonu 238

Niemniej, w sytuacji gdy izotop zostanie wchłonięty przez organizm, ryzyko kancerogennego wpływu (niszczone są tkanki i struktura DNA) niesamowicie wzrasta - resztę możecie sobie sami dopowiedzieć. Szybkość rozpadu Plutonu 238 jest około 270 razy większa niż w przypadku Plutonu 239.

Dlatego pluton zawsze rodził obawy związane z bezpieczeństwem, choć zwykle w przypadku Plutonu 238 te obawy były przesadzone. Nawet podczas planowania misji kosmicznych obawiano się ryzyka skażenia środowiska w przypadku ewentualnej katastrofy podczas startu rakiety z sondą dysponującą radioizotopowym generatorem termoelektrycznym. Były to obawy przed przedostaniem się izotopu do atmosfery, a nie ryzykiem wybuchu jak w bombie jądrowej, bo w przypadku Plutonu 238 coś takiego nie nastapi.

Technical Solutions Management - producent Plutonu 238

By zapewnić stały dostęp do wystarczających zasobów Plutonu 238, NASA i innym organizacjom realizującym projekty kosmiczne, konieczne jest uzupełnienie państwowej produkcji w USA (zajmuje się nią obecnie Departament Energii - DOE), produkcją prywatną.

Prawdopodobnie nie będzie to konieczne już za chwilę, ale ponieważ Plutonu 238 nie wytwarza się kontenerami (DOE chce od 2023 roku wytwarzać 1,5 kilograma samodzielnie, co na pokryje zapotrzebowanie NASA na krótką metę), wypada pomyśleć o zapasach i możliwości skorzystania z dodatkowego źródła dostaw, gdy zajdzie taka potrzeba.

Firmą, która będzie takim wsparciem jest TSM (Technical Solutions Management). Przewidywane rozpoczęcie produkcji przez TSM planowane jest na rok 2022. Zdolności produkcyjne wyniosą 5 kilogramów Plutonu 238 na rok, ale w razie konieczności będą mogły być podwojone.

A ta może zaistnieć, gdy namnoży się nam projektów związanych z eksploracją Marsa i innych odleglejszych rubieży Układu Słonecznego.

Źródło: NASA, DOE, Space.com, inf. własna