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.
Jak się produkuje pluton-238
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 czego NASA potrzebuje plutonu-238?
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.
Literatura dodatkowa