Для полетов на Марс и за его пределы необходим специальный изотоп плутония. Но у нас их недостаточно, и мы не делаем больше достаточно быстро.
2018 год подходит к концу, и ученые НАСА празднуют важную веху: всего второй раз в истории человечества действующий космический корабль покидает пределы Солнечной системы. «Вояджер-2» присоединяется к своему близнецу «Вояджер-1» как единственные два рукотворных объекта, которые преодолели гелиопаузу и вошли в то, что обычно называют межзвездным пространством. Несмотря на то, что нам больше 40 лет, и несмотря на то, что мы находимся дальше, чем любой другой космический корабль, мы все еще получаем сигналы от этих миссий в дальний космос.
Почему это? Потому что космический корабль «Вояджер», как и подавляющее большинство наших успешных миссий, отправившихся во внешние части Солнечной системы, питается от определенного радиоактивного источника. Мы производили его в большом количестве с 1940-х по 1980-е годы, но сейчас почти не производим. В результате планы НАСА в дальнем космосе серьезно подорваны. Вот проблема, и что мы можем с этим поделать.
Каждый раз, когда вы планируете миссию за пределами Земли, вы обязательно должны удовлетворить потребность в энергии. Независимо от того, где мы находимся, мы используем инструменты, которым требуется питание для сбора и записи данных. Мы должны записать его в механизм хранения и передать обратно на Землю, чтобы его можно было успешно получить. Чем дальше мы удаляемся от Солнца и чем дольше мы хотим выполнять свою миссию, тем меньше у нас возможностей полагаться на обычное топливо, батареи или солнечные панели.
На протяжении десятилетий все наши миссии по исследованию дальнего космоса работали на особом искусственном изотопе плутония: Pu-238. С 94 протонами и 144 нейтронами в ядре это чрезвычайно мощный радиоактивный материал. С периодом полураспада 88 лет он может питать космические корабли десятилетиями, излучая 568 Вт энергии на каждый имеющийся килограмм. Но нового Пу-238 мы не производили почти 30 лет, а сегодня это катастрофа для планирования полетов.
Плутоний-238 уникален тем, что это материал, который практически ни для кого не представляет опасности, если только вы не сделаете что-нибудь безумное, например, измельчите его в мелкий порошок и вдохнете. Он может храниться совместно с атомами кислорода, в виде оксида плутония (PuO2), который невероятно устойчив ко всякого рода катастрофам.
- Формирует кристаллическую решетку, благодаря чему кусочки не ломаются и не откалываются; он невероятно прочный.
- У него невероятно высокая температура плавления: он остается твердым, пока температура не превысит 2700 °C.
- И он чрезвычайно нерастворим в воде, а это означает, что он не разрушается, даже если запуск или повторный вход не удался, и он попадает в океан.
Этот последний сценарий фактически случался дважды: с повторным входом в атмосферу «Нимбуса Б-1» (1968 г.) и лунного модуля «Аполлон-13» (1970 г.). Оба источника плутония пережили вход в атмосферу неповрежденными и были извлечены без какого-либо загрязнения окружающей среды.
Раньше мы производили более 20 кг (около 45 фунтов) Pu-238 в год, что позволило нам создать две технологии, идеально подходящие для исследования Вселенной за пределами Земли.
- Блоки радиоизотопных нагревателей (RHU), которые предотвратят замерзание приборов на борту космического корабля из-за избыточного тепла, которое они излучают. Оксид плутония, изготовленный из Pu-238, теплый на ощупь. Всего пара граммов Pu-238 могла бы спасти посадочный модуль Philae, который бесцеремонно погиб смертью после столкновения с кометой 67P/Чурюмова-Герасименко.
- Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ), представляющие собой небольшие компактные источники энергии, которые постоянно излучают тепло, невероятно полезное для производства электроэнергии.
Это последнее использование Pu-238 для РИТЭГов делает этот источник топлива таким бесценным для полетов в дальний космос.
По данным НАСА, именно поэтому РИТЭГи, использующие Pu-238, обладают такой уникальной мощностью:
Радиоизотопные энергосистемы - это генераторы, вырабатывающие электричество в результате естественного распада плутония-238, который не является оружейной формой этого радиоизотопа, используемого в энергосистемах космических аппаратов НАСА. Тепло, выделяемое при естественном распаде этого изотопа, преобразуется в электричество, обеспечивая постоянную мощность в любое время года, днем и ночью.
Двуокись плутония должна быть стандартом для космических миссий во внешние области Солнечной системы. Такие зонды, как Pioneer 10 и 11 и Voyager 1 и 2, использовали плутоний-238 в качестве источника энергии, и они были настолько успешными, потому что эти источники легкие, они стабильны и надежны, они долговечны, они являются самонагревающимися, и на них не влияют такие факторы, как пыль, затенение или повреждение поверхности.
Даже пара килограммов РИТЭГа с плутониевым двигателем могут обеспечить всю мощность, необходимую для миссии в дальнем космосе на десятилетия. К 1987 году планировалось увеличить производство на площадке Саванна-Ривер, чтобы производить 46 кг (~100 фунтов) Pu-238 в год, что позволило бы выполнять множество миссий в дальний космос, не беспокоясь об истощении этого жизненно важного актива.
Тем не менее, мы полностью прекратили производство Pu-238 в конце 1980-х здесь, в Соединенных Штатах. В то время как большинство из нас приветствует окончание холодной войны и прекращение производства ядерного оружия, которое может уничтожить всех нас, есть и научная цена: объекты, которые производили эти расщепляющиеся материалы, также производили Pu-238. Без этой производственной линии мы обречены на то, чтобы исчерпать этот драгоценный и незаменимый актив.
Марсоход Curiosity и миссия New Horizons к Плутону использовали огромные преимущества технологии RTG. Во время запуска в 1990 году миссии «Улисс» для наблюдения за Солнцем полезная нагрузка включала 11 кг плутония-238, что может быть самым большим количеством плутония, запущенным на борту одной миссии.
Но, несмотря на огромный успех РИТЭГов в космических миссиях как НАСА, так и Советского Союза, и связанные с ними исключительные показатели безопасности, именно наши ядерные страхи NIMBY не позволяют нам производить соответствующее количество этого материала даже сегодня. В результате наши запасы Pu-238 являются самыми низкими из когда-либо существовавших: в настоящее время у нас осталось достаточно для оснащения марсохода «Марс-2020» и одной миссии в дальнем космосе, такой как экспедиция «Европа Клипер», которая предварительно намечена на середина 2020-х годов. Кроме того, нам придется сделать или получить больше.
За последние 25 лет практически весь Pu-238, используемый в миссиях НАСА, был закуплен в России общим весом более 16 кг (36 фунтов). Было предпринято несколько попыток возобновить производство Pu-238 здесь, в Северной Америке, но инвестиции ничтожны по сравнению с тем, что происходило на заводе в Саванна-Ривер в 1980-х годах.
Национальная лаборатория Ок-Ридж возобновила производство плутония-238 в 2013 году, что стало первым за 25 лет производством плутония-238 в Соединенных Штатах. Хотя текущий объем производства составляет всего несколько сотен граммов в год (менее фунта), конечная цель лаборатории - увеличить производство до 1,5 килограммов (3,3 фунта) в год не ранее 2023 года.
Ontario Power Generation в Канаде также начала производить Pu-238 с целью использования его в качестве дополнительного источника для НАСА.
Самая большая проблема в том, что у нас большие мечты об исследовании Вселенной. Мы хотим отправить миссию не только на Европу, но и на Энцелад и Тритон, чтобы исследовать возможность жизни в их подземных океанах. Мы хотим совершить специальную миссию к Урану и Нептуну, которых еще не было. Мы мечтаем исследовать многочисленные миры в поясе Койпера. Мы хотим послать зонд в Седну и узнать, как выглядит объект, который, возможно, возник из нашего облака Оорта.
Но без возможности запуска этих миссий этого никогда не произойдет. Солнечные панели, аккумуляторы и топливо на химической основе просто не справятся со своей задачей. Если мы хотим, чтобы эти миссии функционировали оптимально, нам нужно оснастить их РИТЭГом. По безопасности, экономичности, весу, мощности и оптимизации конструкции Pu-238 не имеет себе равных.
Пришло время решить, каким миром мы хотим быть. Хотим ли мы быть одинокими, изолированными во Вселенной, вечно погрязшими в наших земных пререканиях? Или мы хотим инвестировать во что-то за пределами планеты Земля? Хотим ли мы не только наблюдать за звездами, галактиками и дальними уголками космоса с помощью телескопов, которые мы строим, но и отправлять зонды в дальние уголки нашей Солнечной системы и за ее пределы?
Если мы это сделаем, мы должны отложить в сторону наши нелогичные страхи и инвестировать в ресурсы, необходимые для того, чтобы не только нынешнее поколение, но и будущие поколения космических миссий. Ни одна жизнь не будет потеряна из-за того, что вы не инвестируете в нее. Но, решив, что мы не собираемся получать это знание, мы отказываемся от величайшего актива, который может дать нам наука: осознание и оценка самой Вселенной, а также ценность процесса открытия того, что там.