Po raz pierwszy od 30 lat, Amerykańscy fizycy wyprodukowali pluton-238. Ten izotop promieniotwórczy jest kluczowy dla dalekich misji kosmicznych. Bez niego nie byłoby sond Pioneer, Voyager czy New Horizons. Bez niego nie polecimy na Marsa.
Łączna ilość 50 gramów plutonu-238 została wyprodukowana w laboratorium Oak Ridge National Laboratory (ORNL) należącym do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE). Jest to bezprecedensowe wydarzenie, bo ostatnia oficjalna produkcja plutonu-238 miała miejsce w późnych latach 80. ubiegłego wieku. Niewielka ilość pierwiastka zdolnego do wygenerowania ogromnych ilości energii jest niezbędna do realizacji najbliższych misji NASA – kolejnego marsjańskiego łazika, który ma zostać wysłany na Czerwoną Planetę w 2020 r. i orbitera Europy, jednego z księżyców Jowisza (Jupiter Europa Orbiter).
Dzisiaj na świecie istnieje tylko taka ilość plutonu-238, jaka jest niezbędna ro realizacji misji NASA do 2030 r. To dopiero początek. DOE zamierza zautomatyzować i ulepszyć proces, dzięki czemu będzie dostarczać stałe ilości izotopu. Startując od ilości 300-400 gramów rocznie, a kończąc aż na 1,5 kg! Ale po co to wszystko?
Na podbój Układu Słonecznego
Satelity i misje kosmiczne w okolicach Ziemi mogą polegać na panelach słonecznych lub akumulatorach, które umożliwią ich działanie przez lata. Schemat ten nie sprawdza się w przypadku większych odległości. Intensywność promieniowania słonecznego jest zbyt słaba, a ekstremalne temperatury utrudniają sprawne działanie akumulatorów. Dalekie misje kosmiczne, takie jak sonda New Horizons, która w ubiegłym roku dokonała bliskiego przelotu obok Plutona, potrzebują innego źródła energii. Takiego jak pluton-238.
Pluton-238 jest izotopem, co oznacza, że różni się liczbą neutronów w jądrze atomu (inna liczba masowa od plutonu-239). Pluton jest srebrzystobiałym metalem blisko 20 razy gęstszym od wody, a dzięki naturalnemu rozpadowi promieniotwórczemu, emituje stałe porcje ciepła. Jeden gram plutonu-238 generuje moc około 0,5 wata. Produkowane podczas rozpadu promieniotwórczego plutonu-238 ciepło jest zamykane w formie ceramicznej – w przypadku uszkodzenia statku (szczególnie gdy znajduje się jeszcze w ziemskiej atmosferze), ceramika pęknie na większe kawałki, a nie rozproszy promieniotwórczy pierwiastek nad Ziemią. Materiał nie nadaje się do produkcji broni.
Pluton-238 jest idealnym źródłem energii dla misji kosmicznych z kilku powodów. Najważniejszym z nich jest czas połowicznego rozpadu pierwiastka wynoszący 87,7 lat. To oznacza, że moc cieplna umieszczonej w statku kosmicznym próbki nie ulegnie zmianie przez blisko 88 lat. To daje gwarancję, że choćby podczas załogowej misji na Marsa, która potrwa dobrych kilka lat, z jakichś powodów nie zabraknie energii na powrót do domu.
Produkcja plutonu-238 związana była z rozwojem broni jądrowej w czasie zimnej wojny. Po jej zakończeniu produkcja plutonu została wstrzymana i korzysta się ze zgromadzonych zapasów. Od 1993 r. cały pluton-238 użyty przez USA w sondach kosmicznych został zakupiony w Rosji. W 2009 r. DOE złożył wniosek o finansowanie ponownego uruchomienia produkcji plutonu-238. W 2013 r. zgodę otrzymano, a teraz wyprodukowaną pierwszą porcję izotopu dla NASA.
Moc na 88 lat
Do tej pory we wszystkich misjach NASA wykorzystano 35 kg plutonu-238. Niestety, ilości wymagane dla powodzenia misji rosną wraz z odległością, jaką trzeba pokonać. Warto zaznaczyć, że do zrealizowania planowanej misji na Europę, lodowy księżyc Jowisza, będzie potrzeba 38 kg tego radioaktywnego izotopu. Spore ilości plutonu-238 prawdopodobnie trzeba będzie przeznaczyć także na misję Mars 2020, w ramach której kolejny łazik odwiedzi Czerwoną Planetę i zbierze próbki gleby, które powrócą na Ziemię. Słowo „prawdopodobnie” nie jest tu przypadkowe, bo ostateczną decyzję o wyborze źródła energii dla tej misji NASA podejmie w 2019 r.
Prawda jest taka, że trudno dzisiaj wskazać na realne zagrożenia i racjonalne przeciwwskazania do stosowania plutonu-238 w misjach kosmicznych. Do tej pory izotop ten wykorzystano w 9 misjach NASA – realizacja żadnej z nich nie byłaby możliwa, gdyby chcieć wybrać inne źródło energii.
Jak jest produkowany pluton-238? Proces rozpoczyna się, gdy neptun-237 jest dostarczany z miejsca przechowywania w Idaho National Laboratory do Oak Ridge National Laboratory. Tam inżynierowie mieszają go z aluminium, pakują w niewielkie granulki i napromieniowują neutronami termicznymi w High Flux Isotope Reactor (specjalny rodzaj reaktora). W wyniku procesu powstaje neptun-238, który szybko przeobraża się w pluton-238. Napromieniowane granulki rozpuszcza się, a proces chemiczny oddziela pluton od resztek neptunu. Pluton jest przekształcany w tlenek i wysyłany do Los Alamos National Laboratory, gdzie jest przechowywany.
Produkcja plutonu-238 działa w najlepsze. To właśnie ten niezwykły izotop prawdopodobnie będzie stał u podstaw wszystkich najważniejszych misji kosmicznych, które wydarzą się w ciągu najbliższych 20 lat.
Niektóre odnośniki na stronie to linki reklamowe.
 |
Tematyka: Kosmos, To warto wiedzieć! Tagi: badania kosmosu, kosmos, misja na Marsa, misje kosmiczne, Pluton, sonda kosmiczna Podobne: badania kosmosu, Pluton, kosmos, sonda kosmiczna, misja na Marsa, misje kosmiczne |
„Pluton-238 jest izotopem, co oznacza, że ma inną liczbę neutronów i protonów w jądrze atomowym.” – Każda odmiana pierwiastka to izotop. Różnią się ilością neutronów (nie protonów) w jadrze i stabilnością.
„Produkowane podczas rozpadu promieniotwórczego plutonu-238 ciepło jest przetwarzane do formy ceramicznej – w przypadku uszkodzenia statku (szczególnie gdy znajduje się jeszcze w ziemskiej atmosferze), ceramika pęknie na większe kawałki, a nie rozproszy promieniotwórcze cząsteczki nad Ziemią.” – To jest po polsku?
„czas połowicznego rozpadu pierwiastka wynoszący 87,7 lat. To oznacza, że efektywność cieplna umieszczonej w statku kosmicznym próbki nie ulegnie zmianie przez blisko 88 lat” – co to jest „efektywność cieplna”? Jeżeli chodzi o moc cieplną, to po 88 latach zmniejszy się o połowę, ponieważ połowa masy pierwiastka ulegnie rozpadowi.
„Do tej pory izotop ten wykorzystano w 9 misjach NASA – realizacja żadnej z nich nie byłaby możliwa, gdyby chcieć wybrać inne źródło energii.” – Powiedziałbym że Pluton był optymalnym wyborem przy danych parametrach misji. Twierdzenie że wszystkie misje nie byłyby możliwe to naciągany wniosek.
@precel, dokładnie to samo chciałem skomentować po przeczytaniu tego artykułu ^^
@precel: “Pluton-238 jest izotopem, co oznacza, że ma inną liczbę neutronów i protonów w jądrze atomowym.” – Każda odmiana pierwiastka to izotop. Różnią się ilością neutronów (nie protonów) w jadrze i stabilnością. – Przepraszam, gdzie jest błąd? Z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze, w izotopie są one różne.
“Produkowane podczas rozpadu promieniotwórczego plutonu-238 ciepło jest przetwarzane do formy ceramicznej – w przypadku uszkodzenia statku (szczególnie gdy znajduje się jeszcze w ziemskiej atmosferze), ceramika pęknie na większe kawałki, a nie rozproszy promieniotwórcze cząsteczki nad Ziemią.” – To jest po polsku? – Być może za duży skrót myślowy, poprawię, dziękuję.
“czas połowicznego rozpadu pierwiastka wynoszący 87,7 lat. To oznacza, że efektywność cieplna umieszczonej w statku kosmicznym próbki nie ulegnie zmianie przez blisko 88 lat” – co to jest “efektywność cieplna”? Jeżeli chodzi o moc cieplną, to po 88 latach zmniejszy się o połowę, ponieważ połowa masy pierwiastka ulegnie rozpadowi. – Tak, chodziło o moc cieplną, poprawię. Dziękuję.
“Do tej pory izotop ten wykorzystano w 9 misjach NASA – realizacja żadnej z nich nie byłaby możliwa, gdyby chcieć wybrać inne źródło energii.” – Powiedziałbym że Pluton był optymalnym wyborem przy danych parametrach misji. Twierdzenie że wszystkie misje nie byłyby możliwe to naciągany wniosek. – Zgadza się, że pluton jest optymalnym źródłem energii dla wspomnianych misji. Twierdzenie, że nie byłyby one możliwe bez tego izotopu jest subiektywne. Proszę pamiętać, że jesteśmy na blogu, nie portalu.
„Z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze, w izotopie są one różne.” – i tutaj jest właśnie błąd, liczba protonów jest stała, liczba neutronów różna co czyni je izotopami danego pierwiastka.