Ministarstvo enegretike SAD objavilo je da su uz pomoć Nase prvi put posle 30 godina (preciznije 27) uspeli da proizvedu 50 grama izotopa plutonijuma-238. To je dobra vest za njih, jer će se taj izotop koristiti za pokretanje radioizotopskih generatora (RTG) koji daju struju letilicama previše udaljenim od Sunca ili pak onim na specijalnim zadacima. Većina budućih aparata koji budu istraživali spoljnji Sunčev sistem koristiće RTG, kao i sledeći Marsov rover 2020. godine. Podsetimo se da se među onim misijama koje koriste RTG nalaze i one najpoznatije, kao “New Horizons” (Kajperov pojas), “Cassini” (Saturn) ili “Voyageri” (međuzvezdani kosmos). Ukratko, vrlo pozitivan razvoj događaja … a možda i nije, jer je i pre dve godine osvanula potpuno ista vest. Šta se dešavalo posle toga?

pl1

Uzorak plutonijum-dioksida žari u keramičkojposudi (ne, uprkos tvrdnjama Homera Simpsona, on nije zelene boje).

S jedne strane, neposredno je dokazano da savremeni digitalni mediji imaju memoriju zlatne ribice. S druge strane, proizvodnja plutonijuma-238 je, sama po sebi, vrlo kompleksna stvar. Tokom 2013. Ministarstvo energetike je započeo proizvodnju plutonijuma-238 u Nacionalnoj laboratoriji u Oak Ridgeu (ORNL) u Tenesiju, ali izgleda da su tek sada uspeli da proizvedu relativno veliku količinu i, verovatno, pravog kvaliteta. Ipak, ne treba se previše busati u grudi, jer će još uvek proteći puno vode Misisipijem dok se ne proizvede onoliko plutonijuma koliko treba Nasi. Mala količina proizvedena poslednjih meseci predstavlja, jednostavno, uzorak koji treba analizirati da bi se videlo da li zadovoljava zahteve RTG-a za kosmičke misije te, dakle, nema nikakvu praktičnu primenu. Taj uzorak će biti poslat u laboratoriju u Los Alamosu da se vidi da li je moguće napraviti od njega male kuglice koje bi mogle da se koriste kao punjenje u serijskim RTG.

pl2

MMRTG za Marsov rover „Curiosity“. Ako sve bude kako treba, davaće struju 14 godina. U njemu se nalazi 4,8 kg plutonijuma-238.

Sa sadašnjim proizvodnim kapacitetima, laboratorija Oak Ridge nije daleko od godišnje proizvodnje od 300-500 grama, koju bi mogli da postignu možda 2019. godine, ali su daleko od 1,5 kg godišnje koliko bi NASA mogla da usisa. Ta količina neće biti postignuta do sredine sledeće decenije, što će puno zavisiti i od nivoa finansiranja. Ne treba zaboraviti da moderni RTG (MMRTG) zahtevaju između 4 i 5 kg plutonijuma-238 (zapravo plutonijum-dioksida), pa je to količina koju Amerikanci moraju da sintetišu svake godine ako hoće da imaju materijala za RTG-ove za sonde koje će lansirati posle 2030-e godine. Ukratko, potrebno je sačekati do 2025. (ili tu negde) da bi NASA dostigla odgovarajuću količinu plutonijuma koja bi joj omogućila da pokreće misije posle 2030. godine. Naravno, to nije loše, ali je neophodno posmatrati brojeve u perspektivi, jer nakon čitanja nekih vesti manje od jednom neko bi mogao da pomisli da je Nasa u stanju da proizvodi RTG kao uštipke. A to nije tako.

pl3

Manipulacija sa uzorkom Pu-238 u ORNL. Proizvodnja 1 kg košta najmanje $8 miliona.

Plutonijum-238 je radioaktivni izotop koji trenutno ima jedino civilnu primenu, ali nažalost isti objekti su potrebni i za proizvodnju izotopa za vojnu upotrebu. Stoga ne čudi što je posle okončanja Hladnog rata Amerika prestala da proizvodi taj radioaktivni izotop i počela da troši njegove rezerve. Takođe, ne treba smesti s uma da se radi o radioaktivnom izotopu, te da se rezerve Pu-238 svake godine i količinski smanjuju (to je razlog zbog kojeg RTG „New Horizonsa“ proizvodi manje struje od planiranog). Kao rezultat, a i da bi izbegla potpuno smanjivanje svojih rezervi, NASA je prinuđena da kupuje plutonijum-238 od Rusije (od čega je deo upotrebljen za „Curiosity[1]).

Plutonijum-238 se sintetiše iz neptunijuma-237 storniranog u Nacionalnoj laboratoriji u Ajdahu. Neptunijum se šalje u pogone Oak Ridgea[2], gde se meša sa aluminijumom i presuje u male kuglice. Nakon toga se šalje u pogodni reaktor, High Flux Isotope Reactor, gde se bombardovanjem neutrinima stvara neptunijum-237. Taj izotop brzo dezintegrira u plutonijum-238 i neke druge produkte. Višak neptunijuma se reciklira, dok se plutonijum dalje šalje u Los Alamos da bi se stvorili enkapsulirani uzorci koji se direktno koriste za RTG-ove. Te kapsule sa plutonijum-dioksidom se potom vraćaju u Nacionalnu laboratoriju u Ajdahu, gde formiraju module i ulaze u sastav RTG-a.

pl4

Proces proizvodnje Pu-238 i RTG.

pl5

Delovi kapsule Pu-238.

pl6

RTG (MMRTG) rovera „Curiosity“.

Međutim, uprkos okrenutosti svojim rezervama, nije tačno da je NASA primorana da otkazuje misije usled nedostatka plutonijuma. To je vrlo česta greška koja se ponavlja kad god se povede razgovor na tu temu, ali istina je da osnovna ograničenja oko korišćenja RTG-a ne potiču od količine plutonijuma već od koštanja te tehnologije. Ili, gledano dugačije, trenutno se ne planira nijedna misija kojoj bi trebali RTG, ali ne zato što fali plutonijuma već jednostavno zato što je NASA znatno skresala budžet za misije u spoljnji deo solarnog sistema, Znači, ne nedostaje plutonijuma, već nedostaju miisije.

S druge strane, ponekad se zaboravlja da su RTG-ovi daleko od leka za sve. Njihovo korišćenje drastično uvećava troškove svake misije[3] čak toliko da će sledeća misija na Evropu – ranije „Europa Clipper“, a danas poznata samo kao „Europa Multiple-Flyby Mission“ – morati da upotrebljava solarne panele umesto RTG-a da bi se smanjila cena misije[4]. Ali činjenioca je da bi ako bi NASA želela da koristi RTG na tom brodu to izazvalo veliki problem: SAD trenutno raspolažu sa 35 kg plutonijuma-238, od čega samo 17 kg sleduje Nasi a ostatak Pentagonu. Od tih 17 kg mogu da se naprave 4 MMRTG-a. Ako imamo u vidu da će Marsov rover planiran za 2020. imati jedan, ispada da će NASA u sledećoj dekadi raspolagati sa samo 3 MMRTG-a.

Ustvari, NASA je 2013. stopirala razvoj ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator), Stirlingov tip RTG-a, tip RTG-a sa pokretnim delovima sposoban da generiše istu snagu ali sa samo četvrtinom količine plutonijuma. Ukidanje programa ASRG pokazuje koliko NASA ne brine po ovom pitanju (ili kako malo brine, što mu dođe na isto). Takođe je potrebno setiti se da se plutonijum ne koristi samo u RTG-u, već i u sistemima za grejanje, nazvanim RHU (Radio-isotope Heater Units), koji omogućavaju produženje roka trajanja letilica. Naprimer, malo ljudi zna da su famozni roveri „Spirit“ i „Opportunity“ nosili male količine uranijuma u svojim RHU-ima, iako je njihov glavni izvor energije bilo Sunce.

Naravno, dugoročno gledano nedostatak plutonijuma jeste ozbiljan problem, pa je 2012. NASA odlučila da sama podnese trošak i poveća proizvodnju plutonijuma (do tada je Ministarstvo energetike bilo zaduženo za finansiranje proizvodnje tog izotopa). Kao rezultat, kosmička agencija je počela da izdvaja $15 miliona godišnje na taj projekat, mada se predpostavlja da je ovu cifru neophodno povećati da bi se stiglo do željenog cilja. Taj novi plutoniju će biti ključan za svaku buduću misiju koja će imati za cilj proučavanje spoljnjeg solarnog sistema, kao što će biti sonde na Uran i Neptun, koje NASA hoće da lansira do 2030. godine. Gledano u kraćem vremenskom roku, očekuje se da će plutonijum koji bude proizveden u nekoliko narednih godina biti pomešan sa onih 17 kg koliko se već nalazi u Nasi radi poboljšanja performansi (ne zaboravi da se Pu-238 konstantno raspada!).

A ostatak sveta? Nije poznato da li je Rusija i dalje sposobna da proizvodi uranijum-238 – izgleda da jeste – i u kojim količinama, ali se zato zna da su Kinezi nedavno razvili tu sposobnost (lunarna sonda „Chang'e 3“ poseduje RTG(RHU). Nažalost, ni Evropska kosmička agencija (ESA) ni Japanska agencija (JAXA) ne poseduje slične tehnologije, čime su ozbiljno ograničile svoje aspiracije u istraživanju granica solarnog sistema.

https://www.youtube.com/watch?v=VRJT6SKwuHg&feature=player_embedded

https://www.youtube.com/watch?v=9YmkxGdp-b0&feature=player_embedded

P.S.

Ova tema me generalno jako interesuje, pa o njoj često pišem. Ako interesuje i tebe, pročitaj šta sam o tome detaljnije pisao 2009, kada je problem izotopa počeo da žulja SAD i Nasu. Možda nije loš ni ovaj tekst, a ni ovaj: Zašto kosmićke sonde koriste plutonijum?, kao ni ovaj: Zašto „Philae“ nije koristila nuklearni pogon?

 


[1] Sećam se da su još 1992. Ameri kupili od Rusa 30 kg za $6 miliona, ali da im je stiglo samo 20 kg.

[2]Laboratorija poseduje nekoliko superkompjutera koji se nalaze u grupi najboljih, uključujući i drugi najjači na svetu, „Titan“. Imaju godišnji budžet od skoro $2 milijarde.

[3] Ako cene proizvodnje ostanu u rasponu od $10-15 miliona, onda cena goriva za jedan tipični generator u deep-space misiji (oko 8 kg) biće oko $100 miliona, čime se ozbiljno povećava cena celokupne misije.

[4] Iako je solarna energija na toj daljini samo 4% one u orbiti oko Zemlje, to je još uvek praktičnije nego skupi atomski generatori. Zbog velike degradacije panela usled jonizujućeg zračenja, sonda će da leti po elipsi, da bi mogla da se povremeno udalji iz opasne zone – zato se i zove „fly-by mission“.

Draško Dragović
Author: Draško Dragović
Dipl inž. Drago (Draško) I. Dragović, napisao je više naučno popularnih knjiga, te više stotina članaka za Astronomski magazin i Astronomiju, a učestvovao je i u nekoliko radio i TV emisija i intervjua. Interesuje ga pre svega astronautika i fizika, ali i sve teme savremenih tehnologija XXI veka, čiji detalji i problematika često nisu poznati široj čitalačkoj publici. Izgradio je svoj stil, lak i neformalan, često duhovit i lucidan. Uvek je spreman na saradnju sa svojim čitaocima i otvoren za sve vidove komunikacije i pomoći. Dragovićeve najpoznatije knjige su "KALENDAR KROZ ISTORIJU", "MOLIM TE OBJASNI MI" i nova enciklopedija "NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJA SU PROMENILA ISTORIJU ČOVEČANSTVA"

Zadnji tekstovi: