Több plutónium
(Rovat: Távoli világok kutatói - 2019.03.18 07:15.)

Az Egyesült Államokban növelik a plutónium űrkutatási célra történő termelésének tempóját, ami jó hír a bolygóközi küldetések tervezőinek.

A termelés növelését az tette lehetővé, hogy sikerült automatizálni a Pu–238 előállítási folyamatának egyik, kulcsfontosságú lépését. A Tennessee államban működő Oak Ridge Nemzeti Laboratórium a közelmúltban számolt be a technológiai újításról. A hír éppen jókor érkezett, amikor a NASA a Naprendszer távoli vidékeit felderítő szondák új generációját tervezi.

A jelenlegi napelemes technológia határait nagyjából a Juno szonda jelenti, amelynek három óriási napelemtáblája a Jupiter távolságában mindössze 420 watt elektromos teljesítmény előállítására képes. Emellett a napelemek érzékenyek a Jupiter plazma- és sugárzási környezetére, ami tovább rontja alkalmazhatóságukat. Nem jobb a helyzet a Mars felszínén sem, hiába van a bolygó közelebb a Naphoz, ha a viharok felkavarta por leülepszik a napelemekre, csökken a teljesítmény. Egy nagy porvihar adta meg a kegyelemdöfést az Opportunitynek, miközben a nukleáris energiával működő Curiosity megrázkódtatás nélkül vészelte át a vihart.

A Curiosity radioizotópos termoelektromos generátorának (RTG) méretarányos makettje. (Kép: Dave Dickinson)

A Naptól távol ideális energiaforrás a radioaktív plutónium. Kilogrammonként 570 watt energiát termel, felezési ideje pedig 87,7 év, ami azt jelenti, hogy közel egy évszázad elteltével is képes az eredeti teljesítmény csaknem felének előállítására. Plutóniumos energiaforrást használnak például az 1977-ben indított Voyager szondák, amelyek már 144,5, illetve 119,7 csillagászati egység távolságra járnak a Naptól, mégsincs gond az energiaellátásukkal. (Ez azt jelenti, hogy 30-szor, illetve 20-szor olyan messze vannak a Naptól, mint a Jupiter, vagyis a Junóéval megegyező méretű napelemtáblák leadott elektromos teljesítménye ott még az 1 wattot sem érné el.)

A New Horizons szonda előkészítése a startra. A plutónium üzemanyaggal működő RTG a szondából a képen balra kiálló, fekete, hengeres test. (Kép: NASA / U.S. Department of Energy)

A Pu–238-nak hátrányai is vannak. Elsősorban az, hogy a természetben nem fordul elő. Az Egyesült Államokban a fegyvergyártási célra előállított, eggyel nagyobb tömegszámú izotóp, a Pu–239 gyártása melléktermékeként keletkezett a 238-az tömegszámú izotóp. A fegyverkezési célú plutóniumgyártás 1988-ben megszűnt, bár akkor a NASA felhalmozott készletei elegendőek voltak a Cassini és a New Horizons szondák energiatermelésének biztosítására. Bár a raktáron lévő anyag pontos mennyisége titkos, feltételezések szerint még elég lehet a Mars 2020 és további két, hasonló méretű eszköz ellátására. Mindamellett, a Curiosity számára Oroszországtól vásároltak plutóniumot. További probléma, hogy az 1988-ban elraktározott anyag mennyisége folyamatosan csökken, hiszen a radioaktív bomlás akkor is működik, ha a bomlási hőt nem használják energiatermelésre. Három évtized alatt a veszteség eléri a 22%-ot, vagyis ennyi plutónium bomlott el a készletből.

Izzó Pu–238 izotóp a laboratóriumban. (Kép: NASA / U.S. Department of Energy)

A plutónium radioaktív bomlásából származó energiát az űreszközökön a többcélú radioizotópos termoelektromos generátor (MMRTG, Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator) alakítja elektromossággá. Az eszköz alkalmazásának van bizonyos kockázata, az RTG-vel felszerelt Transit 5BN-3 műhold a hibás start miatt 1964. április 21-én az Indiai-óceánban végezte, az Apollo–13 holdkompján lévő, a Holdra el nem jutott Apollo kísérleti csomag (ALSEP) RTG generátora pedig 1970-ben a Mariana-árokba került. A New Horizons szonda startja elleni tiltakozások miatt a NASA megbecsülte a radioaktív szennyezés környezetbe kerülésének veszélyét, amit nagyon csekélynek (1:300) találtak.

Az USA Energiaügyi Minisztériuma 2013-ban elindította a plutónium űrkutatási célra történő termelését. A tervek szerint 2025-re a Pu–238 termelésnek el kell érnie az évi 1,5 kg-ot, ami elég lenne a külső Naprendszerbe tervezett szondák (Europa Clipper, Mars mintavétel, az Uránusz és/vagy a Neptunusz körül keringő szonda, helikopter a Titánon) ellátására. Eközben a NASA kísérleteket folytatott az MMRTG-nél négyszer hatékonyabb Stirling-generátorral (ASRG, Advanced Stirling Radioisotope Generators), ám ezt a programot törölték – igaz ugyan, hogy magáncégeknél folytatódtak a kísérletek.

Plutónium termelése az Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumban. A zöld lézerfényt az automatikus mérőrendszer bocsátja ki, ezzel ellenőrzik az üzemanyag-golyókat, mielőtt betokozzák a besugárzáshoz. (Kép: ORNL)

Legújabban viszont az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium (ORNL) kutatói új módszert fejlesztettek ki, amellyel automatizálható a Pu–238 termelése. A folyamat első lépéseként a neptúnium-oxidból és alumíniumból álló üzemanyag-golyócskákat (pellet) alumínium tokba zárják, majd besugározzák. Korábban a pelleteket kézzel kellett az alumínium tokba helyezni, ami időigényes munka volt, és az egész termelési folyamat szűk keresztmetszetét jelentette. Ezt a lépést sikerült most automatizálni, aminek köszönhetően az ORNL-nél remélik, hogy az éves termelési mennyiséget 50-ről 400 grammra tudják növelni, 2025-re pedig elérhetik az évi 1,5 kg-ot. Jelenleg a plutónium előállítási költsége 8 millió dollár kilogrammonként.

Az Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumban automatizálták a NASA számára készülő Pu–238 izotóp termelését. Ennek köszönhetően az éves termelési mennyiséget 2025-re 1,5 kg-ra tudják emelni. (Forrás: Oak Ridge National Laboratory, YouTube)