Das Mars Science Laboratory, das vor drei Tagen am Samstagmorgen, dem 26. November, gestartet wurde, befindet sich derzeit auf dem Weg zum Roten Planeten – eine Reise, die fast neun Monate dauern wird. Wenn es in der ersten Augustwoche 2012 eintrifft, wird MSL mit der Untersuchung des Bodens und der Atmosphäre im Gale-Krater beginnen, um nach den leisesten Hinweisen auf vergangenes Leben zu suchen. Und im Gegensatz zu den vorherigen Rovern, die mit Solarenergie betrieben wurden, wird MSL nuklearbetrieben sein. seine Energie erzeugen durch den Zerfall von fast 8 Pfund Plutonium-238. Dies wird den Rover der nächsten Generation möglicherweise jahrelang am Laufen halten … aber was wird zukünftige Explorationsmissionen jetzt antreiben? Die NASA kann möglicherweise nicht mehr finanzieren die Produktion von Plutonium?
Pu-238 ist ein nicht waffenfähiges Isotop des radioaktiven Elements, das von der NASA seit über 50 Jahren als Treibstoff für Explorationsraumschiffe verwendet wird. Voyagers, Galileo, Cassini… alle hatten thermoelektrische Radioisotop-Generatoren (RTGs), die über Pu-238 Strom erzeugten. Aber die Substanz wird in den USA seit Ende der 1980er Jahre nicht mehr hergestellt; alle Pu-238 wird seitdem in Russland produziert. Aber jetzt ist nur noch genug für ein oder zwei Missionen und den Haushaltsplan 2012 übrig vergibt noch keine Förderung für das Energieministerium, die Produktion fortzusetzen.
Woher soll der Treibstoff der Zukunft kommen? Wie wird die NASA ihre nächste Reihe von Roboterforschern antreiben? (Und warum machen sich nicht mehr Leute darüber Sorgen?)
Amateurastronom, Lehrer und Blogger David Dickinson ging ausführlich auf dieses Rätsel in einem informativen Artikel Anfang dieses Jahres geschrieben. Hier einige Auszüge aus seinem Beitrag:
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Beim Verlassen unseres schönen Planeten ist Masse alles. Da der Weltraum ein rauer Ort ist, müssen Sie fast alles mitbringen, was Sie brauchen, einschließlich Kraftstoff. Und ja, mehr Kraftstoff bedeutet mehr Masse, bedeutet mehr Kraftstoff, bedeutet … nun, Sie verstehen die Idee. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, ist die Nutzung der verfügbaren Sonnenenergie zur Stromerzeugung, die jedoch nur im inneren Sonnensystem gut funktioniert. Werfen Sie einen Blick auf die Sonnenkollektoren der Juno-Raumsonde, die nächsten Monat zum Jupiter fliegt … diese Dinge müssen seinriesigum die relativ schwache Solarleistung zu nutzen, die ihm zur Verfügung steht ... das ist alles wegen unseres Freundes, dem inversen quadratischen Gesetz, das alle elektromagnetischen Dinge regelt, einschließlich des Lichts.
Curiositys MMRTG (ca. 15 Zoll hoch.) Credit: NASA / Frankie Martin
Um in der Umgebung von zu operierentiefPlatz benötigen Sie eine zuverlässige Stromquelle. Um die Probleme zu verschärfen, müssen alle zukünftigen Oberflächenoperationen auf dem Mond oder Mars in der Lage sein, Energie für lange Zeiträume ohne Sonne zu nutzen; Ein Mondaußenposten würde beispielsweise Nächten gegenüberstehen, die etwa zwei Erdwochen lang sind. Zu diesem Zweck hat die NASA historisch verwendet Radioisotopen-Thermogeneratoren (RTGs) als elektrisches „Kraftwerk“ für langfristige Weltraummissionen. Diese stellen eine leichte, langfristige Brennstoffquelle dar und erzeugen 20-300 Watt Strom. Die meisten sind etwa so groß wie eine kleine Person, und die ersten Prototypen flogen Anfang der 60er Jahre mit den Raumsonden Transit-4A und 5BN1/2. Die Raumsonden Pioneer, Voyager, New Horizons, Galileo und Cassini sind alle mit Pu . ausgestattet238angetriebene RTGs. Die Raumsonden Viking 1 und 2 verfügten ebenfalls über RTGs, ebenso wie die langfristigen Experimente des Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP), die Apollo-Astronauten auf dem Mond platzierten. Eine ambitionierte Musterrückgabe Mission zum Planeten Pluto wurde 2003 sogar vorgeschlagen, ein kleines Atomtriebwerk zu verwenden.
Video: Wie ist Plutonium wirklich?
Ein leuchtender Plutoniumkuchen. (Energiebehörde)
David fährt fort, die unbestreitbaren Gefahren von Plutonium zu erwähnen…
Plutonium istböseSachen. Es ist ein starker Alphastrahler und ein hochgiftiges Metall. Beim Einatmen setzt es Lungengewebe einer sehr hohen lokalen Strahlendosis mit dem damit verbundenen Krebsrisiko aus. Wenn es eingenommen wird, reichern sich einige Formen von Plutonium in unseren Knochen an, wo es den Blutbildungsmechanismus des Körpers schädigen und die DNA zerstören kann. Die NASA hatte in der Vergangenheit die Wahrscheinlichkeit eines Startfehlers der Raumsonde New Horizons bei 350 zu 1 festgelegt, was selbst dann nicht unbedingt das RTG zerstören und die enthaltenen 11 Kilogramm Plutoniumdioxid in die Umwelt freisetzen würde. Stichproben, die rund um den südpazifischen Ruheplatz des oben erwähnten Apollo 13 LM durchgeführt wurden .
Doch die Gefahren der Kernkraft überschatten oft ihre relative Sicherheit und ihren unverkennbaren Nutzen:
Die schwarzer Schwan Ereignisse wie Three Mile Island, Tschernobyl und Fukushima haben dazu gedient, alle nuklearen Dinge zu dämonisieren, ähnlich wie die Ansicht, dass 19NSJahrhundert hatten die Bürger Elektrizität. Egal, dass Kohlekraftwerke ein Vielfaches der radioaktiven Kontamination in Form von Blei in die Atmosphäre bringen210, Polonium214, Thorium- und Radongase,jeden Tag. Sicherheitsdetektoren in Kernkraftwerken werden oft bei Temperaturinversionen aufgrund von Emissionen aus nahegelegenen Kohlekraftwerken ausgelöst… Strahlung war schon vor dem Kalten Krieg Teil unserer Umwelt und wird es bleiben. Um Carl Sagan zu zitieren: „Die Raumfahrt ist eine der besten Anwendungen von Atomwaffen, die ich mir vorstellen kann…“
Doch hier sind wir, mit einem definitiven Ende der Versorgung mit nuklearen „Waffen“, die für die Raumfahrt benötigt werden…
Derzeit steht die NASA vor einem Dilemma, das die Erforschung des äußeren Sonnensystems im kommenden Jahrzehnt stark beeinträchtigen wird. Wie bereits erwähnt, reichen die derzeitigen Plutoniumreserven für die Mars Science Laboratory Curiosity, das 4,8 Kilogramm Plutoniumdioxid enthalten wird, und eine letzte große und vielleicht eine kleine Mission im äußeren Sonnensystem. MSL verwendet ein von Boeing entwickeltes MMRTG (das „MM“ steht für Multi-Mission) der neuen Generation, das bis zu 14 Jahre lang 125 Watt produzieren wird. Aber die Produktion von neuem Plutonium wäre schwierig. Der Neustart der Plutonium-Versorgungsleitung wäre ein langwieriger Prozess und würde vielleicht ein Jahrzehnt dauern. Andere nuklearbasierte Alternativen existieren tatsächlich, jedoch nicht ohne Nachteile entweder hinsichtlich geringer thermischer Aktivität, Flüchtigkeit, Produktionskosten oder kurzer Halbwertszeit.
Die Auswirkungen dieses Faktors können sowohl für die bemannte als auch für die unbemannte Raumfahrt zum äußeren Sonnensystem düster sein. Im Gegensatz zu dem, was der jüngste Decadal Survey for Planetary Exploration 2011 vorschlägt, werden wir glücklich sein, viele dieser ehrgeizigen „Battlestar Galactica”-ähnliche Missionen des äußeren Sonnensystems kommen zustande.
Lander, Luftschiffe und Tauchboote auf Europa, Titan und Enceladus werden alle außerhalb der Domäne der Sonne betrieben werden und benötigen die genannten Kernkraftwerke, um die Arbeit zu erledigen ... kontrastieren Sie dies mit den der Europäischen Weltraumorganisation Huygens Sonde, die auf Titan landete, nachdem sie 2004 von der NASA-Raumsonde Cassini entlassen wurde, die nur wenige Stunden mit Batteriestrom betrieben wurde, bevor sie den Temperaturen von -179,5 ° C erlag, die einen schönen milden Tag auf dem Saturnmond darstellen.
Was also kann eine Weltraum-Zivilisation tun? Sicherlich ist die Option „nicht ins All“ eine, die wir nicht auf dem Tisch haben wollen, und Warp- oder Faster-Than-Light-Antriebe wie in jedem schlechten Science-Fiction-Streifen sind in naher Zukunft nirgendwo zu finden. Nach [meiner] Meinungsäußerung hat die NASA die folgenden Optionen:
Nutzen Sie andere RTG-Quellen mit Strafe. Wie bereits erwähnt, existieren andere nukleare Quellen in Form von Plutonium-, Thorium- und Curium-Isotopen und könnten vorstellbar in RTGs eingebaut werden; alle haben jedoch probleme. Einige haben ungünstige Halbwertszeiten; andere setzen zu wenig Energie oder gefährliche eindringende Gammastrahlen frei. Plutonium238hat eine hohe Energieabgabe über eine beträchtliche Lebensdauer und seine Alphapartikel-Emissionen können leicht eingedämmt werden.
Entwerfen Sie innovative neue Technologien.Die Solarzellentechnologie hat in den letzten Jahren einen langen Weg zurückgelegt, so dass möglicherweise eine Erkundung der Umlaufbahn des Jupiter mit genügend Sammelfläche möglich ist. Der MutigeGeistundGelegenheitMärz Rover (die Curium-Isotope in ihren Spektrometern enthielten!) übertrafen ihre jeweiligen Garantiefristen mit Solarzellen, und die NASA-Raumsonde Dawn, die derzeit den Asteroiden Vesta umkreist, verfügt über eine innovative Ionenantriebstechnologie.
Drücken Sie, um die Plutoniumproduktion wieder aufzunehmen.Auch hier ist es nicht so wahrscheinlich oder sogar machbar, dass dies in der heutigen finanziell angeschlagenen Umgebung nach dem Kalten Krieg passieren wird. Andere Länder, wie Indien und China, wollen „nuklear werden“, um ihre Abhängigkeit vom Öl zu überwinden, aber es würde einige Zeit dauern, bis jedes eingesickerte Plutonium die Startrampe erreicht. Außerdem sind Leistungsreaktoren keine guten Produzenten von Pu238. Die engagierte Herstellung von Pu238erfordert entweder Reaktoren mit hohem Neutronenfluss oder spezialisierte „schnelle“ Reaktoren, die speziell für die Produktion von Trans-Uran-Isotopen entwickelt wurden…
Basierend auf den Realitäten der Kernmaterialproduktion ist die Höhe der Finanzierung für Pu238Produktionsanläufe sind erschreckend klein. Die NASA muss sich auf das DOE verlassen, wenn es um die erforderliche Infrastruktur und das erforderliche Wissen geht, und die Lösungen des Problems müssen den Realitäten innerhalb beider Behörden entsprechen.
Und das ist die düstere Realität einer schönen neuen plutoniumfreien Welt, die der NASA gegenübersteht. vielleicht ergibt sich die Lösung aus einer Kombination einiger oder aller der oben genannten. Das nächste Jahrzehnt wird voller Krisen und Chancen sein… Plutonium verschafft uns mit seiner Verwendung eine Art prometheisches Schnäppchen; wir können entweder Waffen bauen und uns damit umbringen, oder wir können die Sterne erben.
Diagramm eines RTG. (Quelle: Die Enzyklopädie der Wissenschaft)
Danke an David Dickinson für die Verwendung seines ausgezeichneten Artikels; unbedingt die Vollversion lesen auf seiner Astro Guyz-Site hier (und folge David auf Twitter @astroguyz .) Siehe auch dieser Artikel von Emily Lakdawalla von The Planetary Society über die Entstehung der RTG-Einheit für Neugierde.
„Es gibt einige Leute, die berechtigterweise das Gefühl haben, dass dies einfach keine Priorität hat, dass nicht genug Geld da ist und es nicht ihr Problem ist. Aber ich denke, wenn Sie versuchen, einen Schritt zurückzutreten und den Wald und nicht nur die einzelnen Bäume zu betrachten, ist dies eines der Dinge, die uns dazu beigetragen haben, ein technologisches Kraftpaket zu werden. Was wir mit der robotischen Weltraumerkundung erreicht haben, ist etwas, zu dem die Menschen nicht nur in den USA, sondern auf der ganzen Welt aufschauen können.“
– Ralph McNutt, Planetenwissenschaftler am Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University
(Bildnachweis oben © 2011 Theodore Gray periodictable.com ; mit Genehmigung verwendet.)
