12. novembra, evropska sonda „File" nesrećno je sletela na kometu Čurjumov-Gerasimenko. Samo 57 sati kasnije prestala je da šalje podatke na Zemlju i zbog ispražnjenih baterija pala u elektronsku nesvest. Tako kratka misija naišla je na kontoverzne komentare i mnogi su počeli da se pitaju nije li „File" trebala da nosi radioizotopski termoelektični generator (skraćeno sa engl. RTG, odn. sa ruskog РИТЭГ), sistem koji bi omogućio kontinualni rad za mnogo godina. Očito je da RTG nije opcija samo za one koji lete dalje od Jupiterove orbite, već i za sve koji ne žele da zavise od lokalnih uslova. Zašto onda Evropska Kosmička Agencija (ESA) nikada nije lansirala nijedan brod sa RTG-om?
ESA-ina sonda na solarni pogon “File” (ESA). Da je imala ovakvu situaciju pri sletanju kao na slici,
nikada ne bi ni bilo potrebe za ovakvim tekstom.
Ovo je gledano i konkretno i genegalno vrlo zanimljiva tema. O njoj sam proteklih godina u više navrata pisao na sajtu. Koga dublje interesuje ova tema, a posebno budućnost korišćenja nuklearne energije u kosmosu, preporučujem mu da pročita sledeće tekstove: “Radioizotopi – američki imperativ u borbi za vodeću poziciju u ustraživanju svemira“ (2009) i“Plutonijumski smešak Nasi” (2013).
Svaki RTG koriisti malu količinu radioaktivnog izotopa da bi iz toplote koju stvara njegovo raspadanje stvorio elektricitet. U osnovi, konverzija toplote u struju pomoću bimetala u RTG-u je neefikasna, reda veličine samo 5%, ali su RTG-ovi ipak bolji od solarnih panela. Da bi to potkrepio, kazaću da solarni paneli proizvode samo oko 2 vata struje po kilogramu instalacija, dok RTG daje između 3 i 7 vati po kilogramu. Onda bi moglo da se postavi logično pitanje zašto svi kosmički brodovi ne koriste RTG-ove umesto “neefikasnih” solarnih kolektora.
Očigledno zato što korišćenje RTG-ova povlači mnoge političke i ekološke probleme. Mogućnost korišćenja RTG-ova zavisi od brojnih često složenih faktora. Prvo pitanje je kakve radioizotope koristiti u RTG-ovima, jer u zavisnosti od materijala koji odaberemo suočićemo se sa potpuno različitim političkim scenarijima.
Izotopi za RTG moraju da ispunjavaju pet glavnih zahteva. Prvi je dužina polu-života odabranog radioizotopa. Zbog dugovečnosti današnjih kosmičkih misija, RTG mora da radi godinama bez problema. Time su automarski eliminisani svi izotopi sa poluživotom od nekoliko meseci, kao što je recimo polonijum-210[1] koji su koristili sovjetski roveri „Луноходи“ sedamdesetih godina. Drugi faktor je vrsta zračenja koje emituju i osnovni i sekundarni izotopi, nastali raspadom primarnih. Nas interesuju prvenstveno oni izotopi koji emituju alfa zračenje a ne razarajuće beta ili gama, zbog zaštite osoblja koje rukuje na Zemlji sa RTG-ovima, a i da bi se smanjila zaštita a samim tim i težina letilice. Pored toga, odabrani izotop mora da ima slabu rastvorljivost u vodi i da bude stabilan na visokim temperaturma (ako raketa eksplodira prilikom lansiranja), kao i da bude stabilno hemijsko jedinjenje i u čvrstom stanju da bi njime moglo lako da se rukuje. Konačno, moramo da uzmemo u obzir i jednostavnu proizvodnju i razumnu cenu odabranog izotopa.
RTG-ovi korišćeni u kosmičkim misijama. “Lunohodovi” “11K” korišćeni su kao termonuklearni grejači RHU (Radioisotope Heater Units), ali su potencijalno mogli da se koriste i kao RTG. Ruski RTG “Ангел“ takođe je korišćen kao RTG.
Uz ove navedene zahteve možemo da odbacimo većinu radioizotopa dovoljno dugog poluživota da budu korišćeni za RTG. Kao najuobičajeniji kandidati ostajunam: plutonijum-238, americijum-241, kirijum-244, stroncijum-90, gadolinijum-148, tricijum i kadmijum-113. Kirijum-244 emituje previše neutrona, dok stroncijum-90 proizvodi puno elektrona (beta zračenje), koji zauzvrat stvaraju rendgensko zračenje (što znači veće sigurnosne zahteve i zaštitu, a to znači i veće troškove). Gadolinijum-148 i kadmijum-113 mogu da se proizvedu u vrlo malim količinama sintetisanjem u akceleratorima čestica, a uz to kadmijum-113 nema poznata stabilna hemijska jedinjenja. Sledeće, tricijum nema čvrsta jedinjenja na visokim temperaturama. Tako izlazi da nam ostaju samo Pu-238 i Am-241 od kojih možemo da u vidu plutonijum-dioksida i americijum-trioksidanapravimo jedinjenja za punjenje RTG-a.
Delovi RTG-a. (NASA)
Pu-238 je korišćen u svim RTG-ovima koji su do sada leteli u kosmos u američkim misijama, dok americijum-241 čeka potencijalno lepa budućnost u sledećim RTG-ovima[2]. Suprotno mišljenju mnogih ljudi, Pu-238 nema nikakav vojni značaj (za nuklearne bombe se uglavnom koristi Pu-239, zajedno sa drugim izotopima), mada se dobija u nekim procesima koji imaju veze sa vojnim svetom. Za dobijanje Pu-238 potrebno je da se u nuklearnim reaktorima specijalno projektovanim za tu svrhu neutronima bombarduje iskorišćeno nuklearno gorivo, recimo minorni aktinidneptunijum-237. Pošto plutonijum-238 nema nikakvu praktičnu primenu sem za RTG, logično je da cena proizvodnje takvog izotopa dostiže astronomske cifre.
Zato samo tri zemlje na planeti poseduju tehnologiju za sintetisanje Pu-238: Sjedinjene Države, Rusija i Kina. Ameriko ministarstvo energetike (DoE) nedavno je obnovilo proizvodnju ovog izotopa, posle pauze od preko 25 godina, (u)videvši da se njihove (američke) rezerve opasno smanjuju (zapravo, plutonijum koji je iskorišćen za „Curiosity“ ruskog je porekla), dok je stanje državne proizvodnje – i rezervi – Rusije nepoznato. Kina se nedavno pridružila ovom ekskluzivnom klubu (lunarna sonda „Chang'e 3“ koristi Pu-238[3]), ali ne znamo kolika im je godišnja proizvodnja ovog izotopa[4]. Ono što pada u oči, to je da nijedna od ovih zemalja nije članica ESA, tako da je Evropska kosmička agencija primorana da se oslanja na ove zemlje ako želi da koristi RTG-ove u svojim kosmičkim brodovima. Englezi poseduju određene količine Pu-238, ali to je premalo za RTG-ove potrebne za misije tipa „Rozeta“ i „File“.
A americijum-241? Trenutno je godišnja proizvodnja americijuma smešna[5]. Međutim, moguće ga je dobiti zračenjem Pu-238 u reaktorima, što nije naročito korisno (jer ako već imamo Pu-238 onda nam Am-241 nije ni potreban), ili raspadom Pu-241 prisutnog u rezervama “civilnog plutonijuma” (tj. neobogaćenog za vojnu upotrebu) nekih nuklearnih reaktora. Ovaj poslednji slučaj je interesantan. Proces izdvajanja Am-241 iz civilnog plutonijuma nije ni lak ni jeftin, ali je manje glomazan od Pu-238. Do danas niko nije napravio RTG sa americijumom, uglavnom zato što daje samo četvrtinu plutonijumove snage. To znači da ista težina americijuma u RTG-u može da generiše 25,5% elektriciteta koji bi u istom generatoru generisala ista težina plutonijuma. Zauzvrat, njegovo vreme poluraspada mnogo je duže (432 naspram 88 godina, što Am-241 čini jedinim validnim izotopom za RTG-ove na međuzvezdanim misijama) a njegova proizvodnja nema tako negativne političke implikacije[6], mada njegovo dobijanje zahteva korišćenje nuklearnih reaktora i ad hoc[7] procesa koji su prilično skupi. ESA je u protekloj deceniji pokrenula u engleskoj Nacionalnoj nuklearnoj laboratoriji (NNL) program utvrđivanja izvodljivosti proizvodnje RTG-a sa Am-241, ali nažalost istraživanja nisu mrdnula sa početka zbog visokih izdataka i manjka interesovanja glavnih vlada članica Evropske kosmičke agencije[8].
Evropski model RTG baziran na Am-241. (ESA)
I sad konačno dolazimo do misije “Rozeta” i male “File”. Dizajnirana i konstruisana pre više od petnaest godina, “File” nikada nije razmatrala opciju da nosi RTG, jer je to bila potpuno evropska misija. NASA se povukla iz projekta čim je počelo da se razmatra da li bi “Rozeta” trebalo da bude misija za uzimanje uzoraka – lista povlačenja Nase iz evropskih projekata već je iznenađujuće dugačka – i postalo je jasno da neće učestvovati u projektu sa svojim RTG-om (u originalnom projektu sa uzimanjem uzoraka komete pominjali su se i termo-elektro-generatori). Rusija je možda i htela da sarađuje sa Esom u tom trenutku, ali iz političkih razloga vlade zemalja Zapadne Evrope su se uvek trudile da održavaju na minimumu saradnju sa ovom zemljom[9]. Zato je odluka generalnog direktora ESA Jean-Jacques Dordaina da kolaborira sa Rusijom na velikom programu „ExoMars“ nakon što je NASA otkazala – da, ponovo! – doživljena kako revolucionarnom tako i hrabrom.
Da, ali sama „File“ je imala masu od skoro 100 kg. Međutim, težina nije toliko bitna kada se raspravlja o RTG problemu, jer niko nije ni mislio da tu upotrebi RTG od 43 kg kao na „Curiosityju“. Obzirom da su “Filini” paneli stvarali najviše 11 W struje, bio bi joj dovoljan jedan RTG od 15 kg koji bi generisao 40 W (kao prvi RTG tipa “SNAP”). U svakom slučaju, dodati RTG na “Filu” bio je nemoguć zadatak zbog njegove visoke cene. Kao što smo već videli, RTG nije jeftin a “Rozeta” je već bila premašila budžet koji je ESA namenila misiji.
Da li je pitanje ovim rešeno? Uopšte nije. Korišćenje RTG-a na “Fili” nikada nije predstavljalo opciju, ali je lender mogao da koristi izotopske grejače, ili RHU, za zagrevanje sonde[10] i produžavanje radnog veka baterijama (sonde sa solarnim panelima, kao što su “Mars Pathfinder”, “Spirit” i “Opportunity”, koristile su paralelno i plutonijumske RHU-e). Već smo pomenuli da Englezi nemaju dovoljno Pu-238 za proizvodnju RTG-a, ali su mogli da proizvedu jedno 25 RHU snage 5 W svaki. Da je “File” koristila RGU-e mogla je da produži radni vek i poveća svoje šanse da se probudi iz hibernacije. Prirodno, njihovo korišćenje bi svakako povećalo konačne troškove “File” i “Rozete”, ali ne tako mnogo kao korišćenje RTG.
U svakom slučaju, Evropa treba da razmotri da li želi da nastavi da se radi putovanja do Jupitera ili, jednostavno, radi unapređenja sondi kao što je “File”, oslanja na druge zemlje. Bez RTG-a, spoljnji solarni sistem i mnogi regioni unutar njega gde Sunce ne dopire neprestano, predstavljaće zauvek Terru Incognitu za evropske kosmičke letilice.
Model međuzvezdanog broda sa RTG-ovima sa plutonijumom i americijumom. (NASA)
[1] Vreme njegovog poluraspada iznosi 138 dana, ali zato daje 25% više energije od uranijuma-238. Zauzvrat, uranijum ima poluživot od 4,47 milijardi godina!
[2] Dobra strana mu je 4 puta duži poluživot od plutonijuma-238 – 432 naspram 87,7 godina. Međutim, loša strana mu je energetska gustina (količina energije u odnosu na težinu i zapreminu), koja iznosi samo ¼ gustine 238Pu. Uz to, americijum ima druge najniže zaštitne zahteve za RTG na listi svih mogućih izotopa (odmah iza plutonijuma, kome je dovoljan štit debljine oko 2,5 mm).
[3] Plutonijum se koristi za pogon nekoliko grejača, za proizvodnju termičke energije, a ne za proizvodnju električne struje. Za to služe solarni kolektori.
[4] Niko ne zna, ali se znaju neki reperi. Recimo: potrebno je pune tri godinezračiti 100 kg iskorišćenog reaktorskog goriva da bi se dobilo samo 700 grama neptunijuma-237, kojeg je potrebno selektivno ekstraktovati. Tek se od tog neptunijuma daljim procesima i gubicima dobija Pu-238.
[5] Kada sam pisao o detektorima dima u zgradama, pomenuo sam da je „srce“ svakog od njih ¼ mikrograma Am-241. To znači da se od jednog grama americijuma mogu napraviti skoro četiri miliona detektora dima. Jedan gram košta $1500. U deklasifikovanom dokumentu DoE piše da se godišnje u SAD proizvede svega oko 4 tone ovog izotopa.
[6] Mnogi CIA-ini dokumenti koji su danas dostupni govore da određeni „civilni“ izotopi mogu biti (uz doradu) upotrebljeni u tehnologijama za proizvodnju nuklearnog eksplozivnog oružja. Najčešće se pominje neptunijum-237 i tri izotopa americijuma – Am-241, Am-242m i Am-243.
[7] Značenje: samo za ovu priliku, samo za ovu svrhu, samo za sada.
[8] Kladio bih se da udela ima malo i lobiranje nekih drugih zemalja ...
[9] Iz komplikovanih razloga Francuzi su izuzetak. Recimo, početkom 80-ih, otprilike ⅓ od više od 2000 francuskih kosmičkih stručnjaka i tehničara je radila na nekom sovjetsko-francuskom projektu. Od 1985. do 2001. 5 Francuza je letelo na ruskim brodovima sa ruskim posadama na stanice „Saljut-7“, „Mir“ i ISS. Sovjetske sonde „Vega“ za ispitivanje Halejeve komete su nosile francuske aero-uređaje za istraživanje Venerine atmosfere. Jedino mesto van Rusije odakle smeju da se lansiraju ruske rakete „Sojuz“ jesu rampe u Francuskoj Gijani. Obe zemlje danas rade na projektu „Ural“ koji će proizvoditi nove višekratne rakete, a univerziteti im sarađuju na lansiranju mikro-satelita. U obe zemlje je 2006. proslavljeno 40 godina od potpisivnja prvog bilateralnog kosmičkog ugovora o saradnji. Ovde ne bih o plodnoj strateškoj saradnji na vojnom planu, kao što su, recimo, nosači helikoptera vredan 1,2 mld. evra.
Prema istraživanjima javnog mnjenja od 2013, 25% Francuza miski o Rusima pozitivno (63% negativno), a 49% Rusa vidi Francuze kao pozitivne (10% negativno).
[10] Grejač sa jednim gramom izotopa daje oko 0,5 W toplotne energije. Ukupna masa jednog RHU-a sa zaštitom iznosi oko 40 grama. „MER Spirit & Opportunity“ su imali po 8 RHU; „Voyager 1 & 2“ po 9 GHU; Saturnova sonda „Cassini“ imala je pored tri RTG-a i 82 grejača, dok je Titanov lender „Huygens“ imao 35 grejača; „Galileo“ 120 RHU (1'3 orbiter i 17 atmo-sonda).
Uticaj „File“ na medije i nenaučne žurnale
“Fila” sleće na kometu 12. novembra
'Rosetta' blog №10: Prvi naučni rezultati
'Rosetta' blog №9: Poslednji trenuci „File“ na kometi
AMBICIJA - Zašto je važna Rosetta?
'Rosetta' već vidi oblik svog cilja
Rozeta - Rigorozne pripreme za randevu sa kometom • SVEMIRSKA SONDA "ROSETTA" • Odloženo lansiranje • Roseta lansirana • Program • Poseta centru ESA • Plan susreta sa asteroidima • Prolaz pored Zemlje i takmičenje • Pisma: O Rozeti • Rosetta uspela da snimi "Pariz"! • "Rosetta" spremna za kritični manevar • "Rosetta" proletele pored Marsa • "Rosetta" spremna za kritični manevar • Rosetta - Podaci o manevru u toku dana • Rosetta - snimak Marsa • O poreklu naziva misije • "Rosetta" poslala fotografije • Rosetta - skoro ubila Mars • ESA i NASA sarađuju • ROZETA PROLEĆE PORED ZEMLJE • Probuđena sonda se približava asteroidu • MISIJA ROSETTA - RANDEVU SA ŠTEINSOM
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
