قد تلوح في الأفق نهاية نقص البلوتونيوم لدى وكالة ناسا. يوم الاثنين 18 مارسذ، أعلن جيم جرين رئيس قسم علوم الكواكب في ناسا أن إنتاج البلوتونيوم 238 (Pu-238) من قبل وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) في مراحل الاختبار المؤدية إلى إعادة بدء الإنتاج على نطاق واسع.
'بحلول نهاية العام التقويمي ، سيكون لدينا خطة كاملة من وزارة الطاقة حول كيفية تمكنهم من تلبية متطلباتنا من 1.5 إلى 2 كيلوغرام في السنة.' قال جرين في 44ذمؤتمر علوم الكواكب والقمر الذي عقد في وودلاندز ، تكساس يوم الاثنين الماضي.
هذه الأخبار لا تأتي في وقت قريب جدا. لقد فعلنا كتب سابقا على وشك نقص البلوتونيوم وعواقب ذلك على استكشاف الفضاء السحيق في المستقبل. الطاقة الشمسية كافية في معظم الحالات عندما تستكشف النظام الشمسي الداخلي ، ولكن عندما تغامر خارج حزام الكويكبات ، فإنك تحتاج إلى طاقة نووية للقيام بذلك.
كان إنتاج نظير البلوتونيوم 238 نتيجة محظوظة للحرب الباردة. أنتج لأول مرة بواسطة جلين سيبورج في عام 1940 ، تم إنتاج نظير البلوتونيوم (-239) الذي يستخدم في صنع الأسلحة عن طريق قصف النبتونيوم (الذي هو في حد ذاته أحد منتجات اضمحلال اليورانيوم 238) بالنيوترونات. استخدم نفس النظير المستهدف للنبتونيوم 237 في مفاعل سريع ، والنتيجة هي البلوتونيوم 238. ينتج البلوتونيوم 238 280 مرة ضعف حرارة الاضمحلال عند 560 واط لكل كيلوغرام مقابل أسلحة من طراز Pu-239 وهو مثالي كمصدر مضغوط للطاقة لاستكشاف الفضاء السحيق.
منذ عام 1961 ، تم إطلاق أكثر من 26 مركبة فضائية أمريكية تحمل مولدات كهربائية حرارية للنظائر المشعة متعددة المهام (MMRTG ، أو سابقًا RTGs) كمصادر للطاقة واستكشفت كل كوكب باستثناء كوكب عطارد. تم استخدام RTGs بواسطة الحمولات العلمية لحزمة Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP) التي تركها رواد الفضاء على القمر ، وكاسيني وكوريوسيتي المريخ ونيو هورايزونز في طريقهم لاستكشاف بلوتو في يوليو 2015 كلها تعمل بالطاقة النووية.
RTGs التي تعمل بالبلوتونيوم هيفقطالتكنولوجيا التي نستخدمها حاليًا والتي يمكنها تنفيذ استكشاف الفضاء السحيق. وكالة ناسا المركبة الفضائية جونو ستكون أول من يصل إلى كوكب المشتري في عام 2016 دون استخدام RTG تعمل بالطاقة النووية ، ولكنها ستحتاج إلى استخدام 3 ألواح شمسية ضخمة بحجم 2.7 × 8.9 متر للقيام بذلك.
مصدر طاقة البلوتونيوم داخل MMRTG في مختبر علوم المريخ أثناء التجميع في مختبر ايداهو الوطني . (الائتمان: Department of Energy / I مختبر داهو الوطني الصورة بموجب ترخيص Creative Commons Generic Attribution 2.0).
المشكلة هي أن إنتاج البلوتونيوم في الولايات المتحدة توقف في عام 1988 مع نهاية الحرب الباردة. ما هي كمية البلوتونيوم 238 التي خزنتها وكالة ناسا ووزارة الطاقة ، لكنها كانت كذلك تكهن أن لديها ما يكفي على الأكثر لمهمة واحدة أكبر من فئة سفينة العلم وربما مهمة صغيرة لفئة الكشافة. بالإضافة إلى ذلك ، بمجرد تصنيع البلوتونيوم 239 المستخدم في صنع الأسلحة ، لا توجد إعادة معالجة نظير البلوتونيوم 238 المطلوب. تم شراء البلوتونيوم الذي يشغل Curiosity حاليًا عبر سطح المريخ من الروس ، وانتهى هذا المصدر في عام 2010. وقد تم تجهيز New Horizons مع MMRTG احتياطي تم بناؤه من أجل Cassini ، والذي تم إطلاقه في عام 1999.
يتعامل الفنيون مع RTG في منشأة خدمة الحمولة الخطرة في مركز كينيدي للفضاء لمركبة كاسيني الفضائية. (تنسب إليه: ناسا ).
كمكافأة إضافية ، غالبًا ما تتجاوز المهمات التي تعمل بالبلوتونيوم التوقعات أيضًا. على سبيل المثال ، كان للمركبة الفضائية فوييجر 1 و 2 مدة مهمة أصلية مدتها خمس سنوات ومن المتوقع الآن أن تستمر حتى العقد الخامس من التشغيل. لا تعاني Mars Curiosity من مشكلات 'الألواح الشمسية المتربة' التي ابتليت بها Spirit and Opportunity ويمكنها العمل خلال شتاء المريخ الطويل. بالمناسبة ، بينما لم تكن مركبات سبيريت وأوبورتيونيتي تعمل بالطاقة النووية ، إلا أنهافعلتتستخدم حبيبات صغيرة من أكسيد البلوتونيوم في مفاصلها لتظل دافئة ، وكذلك الكوريوم المشع لتوفير مصادر النيوترونات في مقاييس الطيف الخاصة بها. بل إنه من المحتمل جدًا أن يتعثر أي ذكاء فضائي على خمس مركبات فضائية تهرب من نظامنا الشمسي (Pioneer 10 & 11 و Voyagers 1 & 2 و New Horizons) يمكن تصور تاريخ رحيلهم عن الأرض عن طريق قياس اضمحلال مصدر طاقة البلوتونيوم الخاص بهم. (يبلغ عمر النصف Pu-238 87.7 سنة و يتحلل في النهاية بعد الانتقال من خلال سلسلة طويلة من النظائر البنت إلى الرصاص 206).
آفاق جديدة في مرفق الخدمة الخطرة للحمولة الصافية في مركز كينيدي للفضاء. لاحظ RTG (الأسود) البارز من المركبة الفضائية. (الائتمان: NASA / Uwe W.)
سيتم تنفيذ عملية الإنتاج الحالية لـ Pu-238 في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) باستخدام مفاعل نظائر التدفق العالي (HFIR). كما يمكن إحياء البلوتونيوم 'القديم' Pu-238 بإضافة مادة Pu-238 المصنعة حديثًا إليه.
قال جرين في حديث للتخطيط الأخير لاستكشاف المريخ لجنة.
ومع ذلك ، فإن الإنتاج الكامل المستهدف البالغ 1.5 كيلوغرام في السنة قد يستغرق بعض الوقت. بالنسبة للسياق ، تستخدم مركبة Curiosity على كوكب المريخ 4.8 كجم من Pu-238 ، وتحتوي New Horizons على 11 كجم. لم تغادر أي مهمات إلى الكواكب الخارجية الأرض منذ إطلاق كيوريوسيتي في نوفمبر 2011 ، و المهمة القادمة من المرجح أن تكون مركبة RTG هي العربة الجوالة المقترحة مارس 2020. الأفكار الموجودة على لوحة الرسم مثل مركبة هبوط بحيرة تيتان ومهمة كوكب المشتري الجليدي ستكون جميعها تعمل بالطاقة النووية.
يقوم المهندسون بفحص ملائم لـ MMRTG على Curiosity في مركز كينيدي للفضاء. تم التثبيت النهائي لـ MMRTG في المساء السابق للإطلاق. (الائتمان: ناسا / كوري هيوستن).
إلى جانب إنتاج البلوتونيوم الجديد ، تخطط ناسا للحصول على مجموعتين جديدتين من RTG يطلق عليها اسم Advanced Stirling Radisotope Generators (ASRGs) متاحة بحلول عام 2016. وفي حين أنها أكثر كفاءة ، إلا أن ASRG قد لادائماكن الجهاز المفضل. على سبيل المثال ، تستخدم Curiosity حرارة النفايات MMRTG للحفاظ على دفء الأدوات عبر دوران الفريون. كان على الفضول أيضًا تنفيس الحرارة المفقودة الناتجة عن المولد بقوة 110 واط أثناء احتجازه في غلافه الجوي في طريقه إلى المريخ.
رسم تخطيطي لمولد النظائر المشعة المتقدم من ستيرلينغ. (تنسب إليه: وزارة الطاقة / ناسا ).
وبالطبع هناك احتياطات إضافية تأتي مع إطلاق حمولة نووية. كان على رئيس الولايات المتحدة أن يوقع على إطلاق كيوريوسيتي من ساحل فلوريدا الفضائي. اجتذب إطلاق كاسيني ونيو هورايزونز وكوريوسيتي جميعًا المتظاهرين ، وكذلك أي شيء متعلق بالطاقة النووية. لا تهتم بأن محطات الطاقة التي تعمل بالفحم تنتج البولونيوم المشع والرادون والثوريوم كمنتج ثانوي غير مرغوب فيه يوميًا.
RTG (في المقدمة على المنصة النقالة) تركها رواد الفضاء على القمر خلال أبولو 14. (Credit: NASA / Alan Shepard).
عمليات الإطلاق المذكورة لا تخلو من المخاطر ، وإن كانت تنطوي على مخاطر يمكن التخفيف من حدتها وإدارتها. وقعت واحدة من أسوأ الحوادث النووية المتعلقة بالفضاء في وقت مبكر في برنامج الفضاء الأمريكي مع فقدان RTG المجهزة العبور- 5BN-3 قمر صناعي قبالة ساحل مدغشقر بعد وقت قصير من إطلاقه في عام 1964. وعندما اضطرت أبولو 13 إلى الإجهاض والعودة إلى الأرض ، تم توجيه رواد الفضاء للتخلي عنالدلووحدة الهبوط مع تجاربها العلمية التي تعمل بالطاقة النووية والمخصصة لسطح القمر في المحيط الهادئ بالقرب من جزيرة فيجي. (لا يخبرونكالذي - التيفي الفيلم) يتساءل المرء إذا كان من المفيد التكلفة 'إحياء' RTG هذا من قاع المحيط من أجل مهمة فضائية مستقبلية. في عمليات الإطلاق السابقة المجهزة بالطاقة النووية مثل نيو هورايزونز ، وضعت وكالة ناسا فرصة 'حادث إطلاق يمكن أن يطلق البلوتونيوم' عند 350 إلى 1 مقابل حتى ذلك الحين ، فإن RTG المحمي 'مُبالغ في التصميم الهندسي' للنجاة من انفجار وتأثير بالماء.
لكن المخاطر تستحق المكاسب من حيث اكتشافات النظام الشمسي الجديد. في مستقبل جديد شجاع لاستكشاف الفضاء ، تمنحنا إعادة إنتاج البلوتونيوم للأغراض السلمية الأمل. لإعادة صياغة كارل ساجان ، السفر إلى الفضاء هو أحد أفضل استخدامات الانشطار النووي التي يمكننا التفكير فيها!
