Das vor drei Tagen am Samstagmorgen, dem 26. November, gestartete Mars Science Laboratory ist derzeit auf dem Weg zum Roten Planeten - eine Reise, die fast neun Monate dauern wird. Wenn es in der ersten Augustwoche 2012 ankommt, wird MSL beginnen, den Boden und die Atmosphäre im Gale Crater zu untersuchen und nach den schwächsten Hinweisen des vergangenen Lebens zu suchen. Und im Gegensatz zu den früheren Rovers, die mit Solarenergie betrieben wurden, wird MSL mit Atomkraft betrieben und erzeugt seine Energie 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 befeuern, da die NASA möglicherweise nicht mehr in der Lage ist, die Produktion von Plutonium zu finanzieren?
Pu-238 ist ein Isotop des radioaktiven Elements ohne Waffenqualität, das von der NASA seit über 50 Jahren verwendet wird, um Explorationsraumfahrzeuge zu befeuern. Voyager, Galileo, Cassini ... alle hatten thermoelektrische Radioisotopgeneratoren (RTGs), die über Pu-238 Strom erzeugten. In den USA wird der Stoff jedoch seit Ende der 1980er Jahre nicht mehr hergestellt. Alle Pu-238 wurden seitdem in Russland hergestellt. Jetzt ist nur noch genug für ein oder zwei weitere Missionen übrig, und der Haushaltsplan 2012 sieht noch keine Mittel für das Energieministerium vor, um die Produktion fortzusetzen.
Woher kommt zukünftiger Kraftstoff? Wie wird die NASA ihre nächste Reihe von Roboterforschern antreiben? (Und warum sind nicht mehr Menschen darüber besorgt?)
Der Amateurastronom, Lehrer und Blogger David Dickinson ging in einem informativen Artikel, der Anfang dieses Jahres verfasst wurde, ausführlich auf dieses Rätsel ein. 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 haben die Idee. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, besteht darin, die verfügbare Sonnenenergie zur Stromerzeugung zu nutzen. Dies funktioniert jedoch nur im inneren Sonnensystem. Werfen Sie einen Blick auf die Sonnenkollektoren des Juno-Raumschiffs, das nächsten Monat nach Jupiter fährt… das müssen die Dinge seinenorm Um die relativ schwache Sonnenleistung zu nutzen, die ihm zur Verfügung steht, ist dies alles unserem Freund zu verdanken, dem Gesetz des umgekehrten Quadrats, das alle elektromagnetischen Dinge regelt, einschließlich Licht.
In der Umgebung von zu operierentiefPlatz benötigen Sie eine zuverlässige Stromquelle. Um die Probleme zu verschärfen, müssen potenzielle Oberflächenoperationen auf dem Mond oder dem Mars in der Lage sein, Energie für lange Zeiträume ohne Sonneneinstrahlung zu nutzen. Ein Mondaußenposten würde beispielsweise Nächten gegenüberstehen, die ungefähr zwei Erdwochen lang sind. Zu diesem Zweck hat die NASA in der Vergangenheit Radioisotope Thermal Generators (RTGs) als elektrisches „Kraftwerk“ für langfristige Weltraummissionen eingesetzt. Diese bieten eine leichte, langfristige Kraftstoffquelle, die aus 20 bis 300 Watt Strom erzeugt. Die meisten sind ungefähr so groß wie eine kleine Person, und die ersten Prototypen flogen Anfang der 60er Jahre auf dem Raumschiff Transit-4A & 5BN1 / 2. Die Raumschiffe Pioneer, Voyager, New Horizons, Galileo und Cassini tragen alle Pu238 angetriebene RTGs. Die Raumschiffe Viking 1 und 2 hatten ebenfalls RTGs, ebenso wie die Langzeitversuche des Apollo Lunar Surface Experiments Package (ALSEP), die Apollo-Astronauten auf dem Mond platzierten. 2003 wurde sogar eine ehrgeizige Probenrückführungsmission zum Planeten Pluto vorgeschlagen, bei der ein kleines Atomtriebwerk zum Einsatz gekommen wäre.
Video: Wie ist Plutonium wirklich?
David erwähnt weiter die unbestreitbaren Gefahren von Plutonium…
Plutonium istböse Zeug. Es ist ein starker Alpha-Emitter und ein hochgiftiges Metall. Wenn es eingeatmet wird, setzt es das Lungengewebe einer sehr hohen lokalen Strahlendosis aus, wobei das Krebsrisiko besteht. Bei Einnahme 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 Möglichkeit eines Startversagens des Raumfahrzeugs New Horizons bei 350 zu 1 in Betracht gezogen, was selbst dann nicht unbedingt die RTG aufbrechen und die enthaltenen 11 Kilogramm Plutoniumdioxid in die Umwelt abgeben würde. Eine Probenahme, die um die südpazifische Ruhestätte des oben erwähnten Apollo 13 LM-Wiedereintritts in die Aufstiegsstufe des Mondmoduls durchgeführt wurde, deutet beispielsweise darauf hin, dass der Wiedereintritt des RTG den Behälter NICHT aufbrach, da nie eine Plutoniumkontamination gefunden wurde .
Die Gefahren der Kernenergie überschatten jedoch häufig ihre relative Sicherheit und ihren unverkennbaren Nutzen:
Die Black Swan-Ereignisse wie Three Mile Island, Tschernobyl und Fukushima haben dazu beigetragen, alle nuklearen Dinge zu dämonisieren, ähnlich wie die Ansicht, dass 19thJahrhundert Bürger hatten von Elektrizität. Es ist egal, dass Kohlekraftwerke ein Vielfaches der radioaktiven Kontamination in Form von Blei in die Atmosphäre abgeben210Polonium214, Thorium- und Radongase,jeden Tag. Sicherheitsdetektoren in Kernkraftwerken werden häufig bei Temperaturinversionen aufgrund von Emissionen von Kohlekraftwerken in der Nähe ausgelöst. Strahlung war schon vor dem Kalten Krieg Teil unserer Umwelt und ist hier, um zu bleiben. Um Carl Sagan zu zitieren: "Die Raumfahrt ist eine der besten Anwendungen von Atomwaffen, die ich mir vorstellen kann ..."
Doch hier ist ein endgültiges Ende der Versorgung mit nuklearen „Waffen“ in Sicht, die für die Raumfahrt benötigt werden…
Derzeit steht die NASA vor einem Dilemma, das die Erforschung des äußeren Sonnensystems im kommenden Jahrzehnt erheblich beeinträchtigen wird. Wie bereits erwähnt, reichen die aktuellen Plutoniumreserven für das Mars Science Laboratory Curiosity aus, das 4,8 Kilogramm Plutoniumdioxid und eine letzte große und möglicherweise eine kleine Mission des äußeren Sonnensystems enthalten wird. MSL verwendet ein von Boeing entwickeltes MMRTG der neuen Generation („MM“ steht für Multi-Mission), das bis zu 14 Jahre lang 125 Watt produzieren wird. Die Herstellung von neuem Plutonium wäre jedoch schwierig. Der Neustart der Plutonium-Versorgungsleitung wäre ein langwieriger Prozess und würde vielleicht ein Jahrzehnt dauern. Andere kernbasierte Alternativen existieren zwar, jedoch nicht ohne Nachteile, weder hinsichtlich geringer thermischer Aktivität, Flüchtigkeit, Produktionskosten noch kurzer Halbwertszeit.
Die Auswirkungen dieses Faktors können sowohl für die bemannte als auch für die unbemannte Raumfahrt zum äußeren Sonnensystem gravierend sein. Gegenüber dem, was die jüngste Dekadische Umfrage zur Erforschung des Planeten 2011 vorschlägt, werden wir das Glück haben, viele dieser ehrgeizigen „Battlestar GalacticaMissionen im Stil des äußeren Sonnensystems kommen zustande.
Lander, Luftschiffe und Tauchboote auf Europa, Titan und Enceladus werden alle außerhalb des Sonnenbereichs gut funktionieren und die genannten Kernkraftwerke benötigen, um ihre Arbeit zu erledigen. Vergleichen Sie dies mit der Huygens-Sonde der Europäischen Weltraumorganisation, die nach ihrer Ankunft auf Titan gelandet ist 2004 aus dem Cassini-Raumschiff der NASA entlassen, das nur wenige Stunden mit Batteriestrom betrieben wurde, bevor es den Temperaturen von -179,5 ° C erlag, die einen schönen milden Tag auf dem Saturnmond darstellen.
Was kann eine weltraumtaugliche Zivilisation tun? Sicherlich ist die Option „Nicht in den Weltraum gehen“ nicht die, die wir auf dem Tisch haben wollen, und Warp- oder Schneller-als-Licht-Antriebe a la jeder schlechte Science-Fiction-Film gibt es in naher Zukunft nirgendwo. Aus meiner Sicht hat die NASA die folgenden Optionen:
Andere RTG-Quellen unter Strafe ausnutzen. Wie bereits erwähnt, existieren andere Kernquellen in Form von Plutonium-, Thorium- und Curium-Isotopen, die möglicherweise in RTGs eingebaut werden könnten. Alle haben jedoch Probleme. Einige haben ungünstige Halbwertszeiten; andere setzen zu wenig Energie oder gefährliche eindringende Gammastrahlen frei. Plutonium238 hat eine hohe Energieabgabe während einer nennenswerten Lebensdauer und seine Alpha-Partikelemissionen können leicht eingedämmt werden.
Entwerfen Sie innovative neue Technologien.Die Solarzellentechnologie hat in den letzten Jahren einen langen Weg zurückgelegt, sodass eine Erkundung der Jupiter-Umlaufbahn mit genügend Sammelfläche möglich ist. Der MutigeGeist undGelegenheit Marsrover (die Curium-Isotope in ihren Spektrometern enthielten!) Wurden mit Solarzellen weit über ihre jeweiligen Garantiedaten hinaus hergestellt, und das Raumschiff Dawn der NASA, das derzeit den Asteroiden Vesta umkreist, verfügt über eine innovative Ionenantriebstechnologie.
Drücken Sie, um die Plutoniumproduktion neu zu starten. Auch hier ist es nicht so wahrscheinlich oder sogar machbar, dass dies in der heutigen finanziell angeschlagenen Umgebung nach dem Kalten Krieg eintreten wird. Andere Länder wie Indien und China versuchen, „nuklear zu werden“, um ihre Abhängigkeit vom Öl zu brechen, aber es würde einige Zeit dauern, bis ein herunterrutschendes Plutonium die Startrampe erreicht. Auch Leistungsreaktoren sind keine guten Produzenten von Pu238. Die engagierte Produktion von Pu238 erfordert entweder Reaktoren mit hohem Neutronenfluss oder spezielle „schnelle“ Reaktoren, die speziell für die Herstellung von Trans-Uran-Isotopen entwickelt wurden…
Basierend auf den Realitäten der Kernmaterialproduktion wurden die Finanzierungsniveaus für Pu238 Produktionsneustart sind erschreckend klein. Die NASA muss sich auf das DOE verlassen, um die erforderliche Infrastruktur und das erforderliche Wissen zu erhalten, und Lösungen für das Problem müssen den Realitäten beider Agenturen entsprechen.
Und das ist die düstere Realität einer schönen neuen plutoniumfreien Welt, der die NASA gegenübersteht. Vielleicht kommt die Lösung als eine Kombination aus einigen oder allen der oben genannten. Das nächste Jahrzehnt wird voller Krisen und Chancen sein ... Plutonium gibt uns eine Art Promethean-Handel mit seiner Verwendung; Wir können entweder Waffen bauen und uns damit umbringen, oder wir können die Sterne erben.
Vielen Dank an David Dickinson für die Verwendung seines ausgezeichneten Artikels; Lesen Sie hier unbedingt die Vollversion auf seiner Astro Guyz-Website (und folgen Sie David auf Twitter @astroguyz). Lesen Sie auch diesen Artikel von Emily Lakdawalla von The Planetary Society über die Herstellung der RTG-Einheit für Neugier.
"Es gibt einige Leute, die zu Recht der Meinung sind, dass dies einfach keine Priorität hat, dass es nicht genug Geld gibt 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 zu einem technologischen Kraftpaket gemacht haben. Was wir mit der Erforschung des Weltraumroboters gemacht haben, können Menschen nicht nur in den USA, sondern auf der ganzen Welt sehen. "
- Ralph McNutt, Planetenwissenschaftler am Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University
(Bildnachweis © 2011 Theodore Gray periodictable.com; Verwendung mit Genehmigung.)
