“The Eagle has landed!” – 55 lat od pierwszego lądowania człowieka na Księżycu

21 lipca mija 55 lat od epokowego wydarzenia kosmicznego – pierwszego lądowania człowieka na Księżycu. Tu mała prywata – były wakacje, więc mogłem oglądać transmisję z tego wydarzenia, choć miała miejsce w środku nocy. Miałem 13 lat, tata obudził mnie i mojego 9-letniego brata i usadził przed telewizorem. Pamiętam jego słowa: „Oglądajcie, bo dzieje się historia. Będziecie o tym opowiadać swoim dzieciom i wnukom”. No cóż, jak zawsze miał rację.
Dziś, wspominając Tatę, który odszedł w 1993 roku, napisałem ten krótki tekst, przypominający tamte niezwykłe dni.

Wszystko zaczęło się kilka lat wcześniej, gdy ówczesny prezydent USA, J.F. Kennedy, w 1961 roku ogłosił, że przed końcem dekady Amerykanie wylądują na Księżycu. Wydawało się to wtedy naprawdę szalonym pomysłem. Trzeba było skonstruować rakietę zdolną przetransportować ludzi na Księżyc (czyli mogącą osiągnąć drugą prędkość kosmiczną – 11,2 km/s) oraz moduł księżycowy, który miał wylądować na powierzchni naszego satelity i powrócić na jego orbitę, a następnie bezpiecznie dostarczyć trójkę astronautów do domu. W konstrukcji rakiety Saturn V (111 m wysokości) pomogło doświadczenie Wernhera von Brauna, Niemca, który wcześniej odpowiadał za hitlerowski program rakietowy.
Przygotowania trwały bardzo długo. Już 3 lata po przemówieniu Kennedy’ego zaczęto próby kosmiczne. Testowano zarówno kolejne modele rakiet nośnych, jak też modułu księżycowego. Wszystko było zupełną nowością.

W misji Apollo 11 uczestniczyło trzech astronautów, którzy po kilku dniach lotu mieli przejść do historii. Starannie wyselekcjonowani piloci amerykańscy, z których dwaj (Armstrong i Aldrin) wcześniej byli m.in. pilotami misji bojowych w czasie wojny koreańskiej.

Oficjalne zdjęcie załogi: od lewej Neil Armstrong (dowódca), Michael Collins (pilot modułu dowodzenia), Edwin “Buzz” Aldrin (pilot modułu księżycowego)
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna



Start nastąpił 16 lipca 1969 r. z kosmodromu Cape Canaveral na Florydzie. Po 4 dniach lotu moduł księżycowy znalazł się na orbicie okołoksiężycowej i 20 lipca wylądował na Srebrnym Globie. Samo lądowanie było dość stresujące, ponieważ kilkakrotnie zawiódł komputer – nastąpiło przeładowanie zbieranymi danymi.

Interfejs użytkownika komputera AGC używanego przez wszystkie misje Apollo
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Samo podejście do lądowania też było nerwowe, ponieważ planowane miejsce lądowania okazało się zbyt skaliste i mogło grozić wywróceniem lądownika. W takim przypadku astronauci byliby skazani na pozostanie na powierzchni Księżyca i powolną śmierć. Na szczęście dowódca modułu księżycowego Neil Armstrong przejął sterowanie i manualnie sprowadził lądownik na powierzchnię. Chwilę później padły słynne słowa: „The Eagle has landed” („Orzeł” [nazwa kodowa lądownika] wylądował).

Kilka godzin później nastąpił kluczowy moment – astronauci wyszli z pojazdu i jako pierwsi ludzie postawili stopy na Księżycu. Pierwszą czynnością było zebranie niewielkiej próbki skał księżycowych (w torebkę i do kieszeni skafandra). Zrobiono to, aby w razie konieczności przerwania misji taka próbka została dostarczona na Ziemię. Kolejnym krokiem było ustawienie w pobliżu lądownika amerykańskiej flagi (no, wiadomo!) oraz plakiety.

Amerykańska flaga na Księżycu – obok Buzz Aldrin
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

Następnie astronauci zebrali kolejne próbki skał księżycowych, które z niejaką trudnością umieścili w lądowniku. Po powrocie na pokład nastąpił planowy sen przed startem.

A sam start z Księżyca był jedną wielką niewiadomą. Wszystko było wielokrotnie przeliczone, ale tylko teoretycznie. Naprawdę wszystko się mogło zdarzyć. Gdyby lądownik nie wystartował albo nie doszło do spotkania z modułem, w którym Collins okrążał Księżyc, musiałby on sam wrócić na Ziemię, pozostawiając kolegów z załogi na pewną śmierć. Na szczęście wszystko poszło perfekcyjnie (no, prawie, bo podmuch silników spowodował wywrócenie flagi zatkniętej na powierzchni). „Orzeł” po niecałej dobie pobytu na Księżycu wystartował z powierzchni i po kilku godzinach precyzyjnie połączył się z orbiterem.

Lądownik “Eagle” tuż przed dokowaniem do modułu dowodzenia
źródło: Wikipedia, licencja: domena publiczna

No a dalej była już tylko podróż do domu. Lądowanie nastąpiło 24 lipca, a załogę podjęto z wody na pokład lotniskowca USS Hornet. To jednak nie kończyło wyprawy. Astronauci musieli przejść obowiązkową kwarantannę, zanim mogli spotkać się z ludźmi. Było to spowodowane względami ostrożności – nie było wiadomo, czy nie przywlekli ze sobą jakichś księżycowych mikrobów. Pozostawali w odosobnieniu przez długie 3 tygodnie, nim dostali zgodę na opuszczenie pomieszczenia izolacyjnego.
A potem zostali bohaterami – nie tylko USA, ale całego świata. I jak w „Seksmisji”: wywiady, autografy, wizyty w zakładach pracy. Ot, normalne życie celebrytów.
Do dziś zaledwie 12 ludzi chodziło po powierzchni Księżyca, ostatni zrobili to w 1972 roku. Kiedy tam wrócimy – nie wiadomo.

Projektujący lot księżycowy przygotowali się na wszystko. Także na sytuację, w której powrót z naszego satelity byłby niemożliwy, a astronauci pozostaliby na zawsze na Srebrnym Globie. Nie przewidziano w takim przypadku akcji ratunkowej – byłaby ona z definicji niemożliwa. Dlatego też zostało przygotowane krótkie przemówienie, które w takim przypadku miał wygłosić prezydent Nixon. Przygotował je autor wystąpień prezydenckich, William Safire. Krótki tekst, który można znaleźć w sieci, był utrzymany w bardzo podniosłym, poważnym nastroju. Plan był taki, że prezydent najpierw zadzwoni osobiście do obu żon astronautów, a potem telewizja wyemituje przemówienie do narodu.

Na szczęście nie było konieczności jego wygłoszenia, bo wszystko poszło idealnie.

Pluton-238 – na przystanku po drodze w Kosmos

Duże poruszenie zapanowało w NASA z powodu maleńkiej przesyłki. W sierpniu 2023 roku z Oak Ridge National Laboratory wysłano do Los Alamos National Laboratory 500 g tlenku plutonu-238. Warto tu wspomnieć, że oba te laboratoria powstały w latach 40. XX wieku w ramach Projektu Manhattan. W tym drugim laboratorium przekształca się tlenek plutonu w elementy, które będą użyte w generatorach ciepła i energii elektrycznej. Ale to nie koniec podróży. Przygotowane elementy radioaktywne zostają następnie przesłane do Idaho National Laboratory gdzie są testowane i stamtąd wysyłane do NASA na Florydę.

Aby mieć wyobrażenie o wielkości tej próbki, wyobraźmy sobie sześcian o krawędzi 3,5 cm albo 1,5 pudełka zapałek. Spokojnie zmieści się to w dłoni. Najważniejsze, że zrobiono pierwszy krok, ponieważ magazyn NASA był praktycznie pusty od lat.

Zacznijmy jednak od początku. Co to jest ten pluton-238 i co z tym wspólnego ma NASA? Pluton to pierwiastek z grupy aktynowców, który możecie kojarzyć z bombą jądrową. I prawidłowo – pierwsza testowa bomba „Trinity” była oparta właśnie na plutonie, ale w tym przypadku był to znacznie trwalszy izotop – pluton-239. Izotop nieco lżejszy, pluton-238, na szczęście nie służy do produkcji bomb. Jest on bardzo nietrwały, jego czas półtrwania wynosi ok. 88 lat, rozpada się z wydzieleniem cząstek alfa (jąder helu). W związku z tym, że rozpada się tak szybko, stanowi niezłe źródło ciepła.

Element paliwowy z dwutlenku plutonu (PuO2) emitujący ciepło pod wpływem rozpadu alfa
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Zaletą jest też to, że izotop ten nie emituje promieni beta i gamma – wystarczy w takim przypadku minimalna osłona. Same zalety! No cóż, jest jedna wada – trzeba go wyprodukować i oczyścić, a nie jest to łatwe. Ponieważ na istotne ilości Pu-238 oczekuje od lat NASA (za chwilę napiszę, do czego go potrzebują), kilkanaście lat temu Departament Energii USA (DOE) wdrożył ponownie program jego produkcji. Może to być zaskakujące, ale wcześniejsza produkcja tego izotopu została wstrzymana w 1988 roku, a po tej dacie Amerykanie kupowali gotowy pluton w Związku Radzieckim. Plany DOE zakładały, że w roku 2015 produkcja osiągnie 1,5 kg rocznie, co miało pokryć zapotrzebowanie NASA. Do dziś nie udało się tego poziomu osiągnąć. Tu trzeba dodać, że produkcja plutonu-238 jest obecnie prowadzona we współpracy z Kanadą.

Pluton-238 powstaje jako produkt uboczny w reaktorach jądrowych. Mówiąc skrótowo: uran przekształca się w neptun, a z niego powstaje właśnie pluton. Niestety, mamy tu do czynienia z mieszaniną, w której tylko 1-2% stanowi Pu-238. Nie opłaca się tej mikstury rozdzielać. Dlatego też opracowano inne metody. Jedną z nich jest napromieniowanie tarcz wykonanych z neptunu (Np) albo z ameryku (Am). Właśnie taką techniką produkowany jest obecnie pluton, a roczna produkcja sięga 0,5 kg. Amerykanie szacują, że do 2026 roku osiągną wydajność 1,5 kg rocznie.

Doprecyzowując – uran-238 bombardowany jądrami deuteru (wodór-2) przekształca się w neptun-238, który wypromieniowując promienie beta (elektrony), wytwarza pluton-238. Jest to niezwykle gęsty pierwiastek (19,8 g/cm3), a stosowany jest zwykle w postaci tlenku – PuO2 (o gęstości ok. 11 g/cm3).

Dziś produkcja ta wygląda tak: zużyte paliwo z reaktorów trafia do zakładów przetwórczych, gdzie odzyskuje się z nich neptun-237. Jest on dostarczany do reaktora, w którym bombarduje się go neutronami. Powstaje w tym procesie neptun-238, który emitując elektron przeskakuje w prawo w układzie okresowym i przekształca się w pluton-238. Gotowe!

Do tej pory pluton stanowił istotne źródło energii w ponad 30 misjach kosmicznych. Jest to bardzo efektywny sposób, ponieważ nie wymaga żadnego zewnętrznego sterowania i kontroli. Pluton powoli rozpada się, wydzielając w sposób ciągły duże ilości ciepła, przy czym nie może tu zajść reakcja łańcuchowa (taka może zajść, jeśli mamy pluton-239). Ciepło jest tu sprawą kluczową, bo pokładowa elektronika słabo działa w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. Ale dodatkowo jest to źródło energii elektrycznej. Do pojemnika z plutonem jest wprowadzona jedna elektroda termopary (ogrzewana), natomiast druga (chłodząca) znajduje się na zewnątrz. W efekcie jest tam generowany prąd, który służy do zasilania elektroniki pokładowej. Tego typu urządzenia noszą ogólną nazwę SNAP (Systems for Nuclear Auxiliary Power). Są one używane przede wszystkim w sondach kosmicznych, które wysyłamy na tyle daleko od Słońca, że nie da się zastosować tam klasycznych paneli słonecznych. Przykładowo, taki system oparty na tlenku plutonu zastosowano m.in. w sondach Voyager.

Sonda Voyager – źródła energii (trzy) widoczne są po lewej
źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Po 46 latach misji znajdują się one w odległości ponad 20 mld km od Ziemi, a generatory, które miały na starcie moc 470 W, dziś nadal dostarczają ponad 200 W energii. Co prawda część urządzeń została wyłączona w celu oszczędzania energii, ale inżynierowie misji mają nadzieję, że jakaś komunikacja z sondą będzie możliwa jeszcze w roku 2025 (czyli 48 lat po starcie!).

Niestety, te 0,5 kg plutonu to zdecydowanie za mało, aby na dłuższy czas zaspokoić zapotrzebowanie. Przykładowo: łazik marsjański Perseverance, wysłany w ramach misji Mars 2020, jest wyposażony w system MMRTG – Multi Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Energię czerpie z rozpadu 4,8 kg tlenku plutonu-238. Następne misje będą wymagać podobnych ilości, a więc NASA musi cierpliwie zbierać produkowany pluton, pamiętając oczywiście o jego czasie półtrwania.

Informacja o plutonie na stronie Oak Ridge Laboratory