Šaltojo karo plutonio atsargos, maitinančios NASA'os 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'os labiausiai nutolusiam zondui ilgaamžiškumą teikia šilta ²³⁸plutonio širdis. Šalutinis branduolinių ginklų gamybos produktas skildamas kaista, o šiluma verčiama į Voyagerio 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. ²³⁸Plutoniogamyba sustabdyta prieš dešimtmečius ir kosmoso agentūros sandėlių atsargos pavojingai mažos. Be jų papildymo, išorinių Saulės sistemos ribų tyrimas gali visiškai sustoti.

Problema ta, kad ²³⁸plutonį 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'os 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'os 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?

²³⁸Plutonis suvaidino pagrindinį vaidmenį beveik visose NASA'os 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 generatoriuje, yrantis plutonis kaitina termoporą, gaminančią elektros srovę. Kiekvienas ²³⁸plutonio 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 ²³⁹plutonis, 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 ²³⁸plutonį 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'os 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.
Nepradėjus vėl gaminti ²³⁸plutonio, NASA turės surasti naujų būdų tiekti energiją misijoms į išorines planetas.

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

Ar gali nedidelio masto nepertraukiamas procesas padaryti ²³⁸plutonio gamybą daug saugesnę ir pigesnę?

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, ²³⁷neptūnio kapsulės būtų stumiamos per šį vamzdį ir reaktoriuje praleistų vos kelias dienas. Išėjusios kitame gale, jos būtų perdirbamos – ²³⁸plutonis išskiriamas, o likęs ²³⁷neptūnis vėl siunčiamas atgal pakartoti maršrutą. Per kiekvieną perėjimą 0,01 % neptūnio paverčiama plutoniu, tad, norint gauti kilogramus NASA'ai 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 ²³⁸plutonio 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. ²³⁸Plutonis 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 ²³⁸plutonio 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, - sako jis. - 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 ²³⁸plutonis negali būti panaudotas branduolinių ginklų gamybai, apie ²³⁷neptūnį 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 (Masačiusetse), 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 ²³⁸plutonį.“

„Voyager“ statinėje tupinčiam tigrui gresia išnykimasTam reikia naujų fotoelementų, galinčių susitvarkyti su ekstremaliomis Saulės sistemos pakraščių sąlygomis, sako Jamesas Fincannonas iš NASA'os 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.

Norint Plutono orbitoje išgauti tiek pat energijos, kiek jos tenka Žemės orbitoje skriejantiems įrenginiams, fotoelementais reikėtų nukloti 2000 kartų didesnį plotą.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, prideda jis, „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 ²³⁸plutonį. 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.

Debesų galia

Saulės energija netinka aparatams, nusileidžiantiems po tirštais debesimis, pavyzdžiui, gaubiančiais Venerą. Čia tiktų Michaelo Paulo ir jo komandos iš Pensilvanijos valstijos universiteto sukurtas variklio dizainas. Paul'o komanda siūlo Veneroje nusileisiantiems aparatams galią teikti, deginant litį anglies dvideginyje, kurio pilna Veneros atmosferoje – taip atkrenta kuro oksidatoriaus gabenimo problema.

Degimo karštis suktų mažą turbiną ar Stirlingo variklio modifikaciją, kuri savo ruožtu, gamintų energiją elektronikai. Bet karštojoje Veneroje sunkiausia aušinti elektroniką. Paulas spėja, kad keturi penktadaliai variklio galios eitų įrenginio elektronikos aušinimui. Ankstesnės misijos į Venerą netrukdavo ilgiau, nei 2 valandas po nusileidimo, nes išsekdavo baterijos. Paulas skaičiuoja, kad 200 kilogramų ličio turėtų užtekti savaitei.

Jis mano, kad planetos anglies dioksido atmosferos naudojimas ličio deginimui yra vienintelis būdas suteikti pakankamai galios Veneros paviršiaus tyrinėjimo aparatui. Kitu atveju, savaitės trukmės misijos elektros ir aušinimo poreikiams tektų skraidinti 850 kilogramus baterijų arba 50 plutoniu varomų generatorių. „Netgi NASA'os didžiulis Cassini zondas – „visų flagmaniškų misijų flagmanas“ – neturi tiek daug“, - sako Paulas.