Нехватка запасов плутония-238 ставит под угрозу исследование космоса

В 1977 году космический аппарат «Вояджер-1» покинул Землю для пятилетней миссии по исследованию Юпитера и Сатурна. Тридцать шесть лет спустя зонд размером с машину все еще исследует космос, отправляя данные домой. Между ним и Солнцем — 19 миллиардов километров.

Расстояние, которое прошел этот звездный «автомобиль» невообразимо. Это так далеко, что сигнал от зонда доходит до Земли за 17 часов. По дороге «Вояджер-1» прислал ученым первые близкие снимки Сатурна, первые снимки колец Юпитера, открыл множество лун, кружащих вокруг этих планет, а также выяснил, что луна Юпитера Ио полна активных вулканов. Теперь космический корабль изучает границу Солнечной системы, проходя через остатки гелиосферы, где еще ощущается влияние Солнца, и гелиопаузу, где космические токи борются с солнечным ветром.

Предполагается, что «Вояджер-1» проработает до 2025 года, потом батарейка сядет и закончится порох в пороховницах.

Едва ли хоть что-то из вышесказанного было бы возможно без трех батарей космического корабля, заполненных плутонием-238. Большая часть того, что человечество знает о внешних планетах, стало известно благодаря силе плутония. Нынешние исследования Сатурна зондом «Кассини», путешествие «Галилея» к Юпитеру, работа «Кьюриосити» на поверхности Марса и облет Плутона аппаратом New Horizon в 2015 году тоже будет плутониевым. Особенности радиоактивного распада этого металла делают его сверхтопливом. Что более важно, нет никакой жизнеспособной альтернативы. Солнечная энергия слишком слаба, химические батареи живут недолго, системы ядерного деления слишком тяжелые.

Мы крайне зависимы от плутония-238 — топлива, которое в значительной степени производится в качестве побочного продукта изготовления ядерного оружия. Но есть проблема.

Запасы почти исчерпаны.

«Нам хватит, чтобы дотянуть до конца этого десятилетия. Вот и все», — говорит Стив Джонсон, химик-ядерщик из Национальной лаборатории Айдахо. И это не только американские резервы. Запасы кончились почти на всей планете.

Здесь делают плутоний-238

Научные запасы США на данный момент составляют около 16 килограмм. Чтобы понять перспективы, представьте: батарея, которая питает марсоход «Кьюриосити», в данный момент исследующий поверхность Марса, содержит около 5 килограмм плутония. А то, что осталось, уже тоже распределено. Последствия для космической программы ужасают: нам нужно исследовать 99 % Солнечной системы, а плутония-238 нет. Зачем тогда тратить полтора миллиарда долларов в год на изучение планет? Точнее, на изучение планет, если их некому изучать? Ядерный кризис настолько плох, что исследователи называют его просто «Проблема».

Так быть не должно. Необходимое сырье, реакторы и инфраструктура для производства плутония-238 (который, в отличие от плутония-239, невозможно использовать для создания ядерной бомбы) — все готово. Более того, правительство США недавно одобрило траты в 10 миллионов долларов в год на восстановление производства, свернутого почти 20 лет назад. В марте Министерство энергетики даже произвело небольшое количество свежего плутония на ядерном реакторе в Теннесси.

Отличный старт, но кризис далеко не решен. Политическое невежество и близорукость Штатов, наряду с ложными обещаниями России, а также мелочное управление, которым славится NASA, все это мешает производству плутония-238. Что в результате? Исследование Солнечной системы стоит на краю пропасти. Один амбициозный космический полет может истощить оставшиеся запасы плутония, а любые отклонения в будущей цепочке поставок может сорвать любую из грядущих миссий.

***

Единственный природный источник плутония-238 иссяк еще до того, как Земля окончательно сформировалась, около 4,6 миллиарда лет назад. Серебристый металл производят взрывающиеся звезды, но время его полураспада, или время, необходимое для 50-процентного исчезновения материала, составляет менее 88 лет.

К счастью, мы выяснили, как производить его самостоятельно и использовать для создания крайне надежного источника энергии. Как и другие радиоактивные материалы, плутоний-238 распадается, потому что его атомная структура неустойчива. Когда ядро атома спонтанно распадается, оно выстреливает гелиевое ядро на высокой скорости, оставляя за собой атом урана. Эти пули гелия, называемые альфа-излучением, массово сталкиваются с ближайшими атомами внутри куска плутония — материала, который в два раза плотнее свинца. Эта энергия может нагреть плутониевую шайбу до 1260 градусов Цельсия. Чтобы превратить эту энергию в полезную мощность, вы заворачиваете в шайбу термоэлектрику, которая преобразуют тепло в электричество.

Вуаля. У нас есть батарейка, которая может питать космический корабль десятилетиями.

«Это волшебный изотоп. Просто прекрасный», — говорит Джим Адамс, заместитель главного технолога NASA и бывший заместитель директора отделения планетарной науки.

В США производство ведется в двух ядерных лабораториях, которые производят плутоний-238 в качестве побочного продукта от производства «более полезного государству» плутония-239. Hanford Site в штате Вашингтон выкидывает плутоний-238 вместе с коктейлем из ядерных отходов. Savannah River Site в Южной Каролине, стоит отметить, извлекла и переработала более 180 килограмм во время холодной войны, чтобы обеспечить питанием спутники-шпионы и десятки мелких космических корабликов NASA.

К 1988 году, когда железный занавес засиял дырами, США и Советский Союз начали демонтаж военных ядерных объектов. Хэнфорд и Саванна Ривер перестали производить плутоний-238. Но Россия продолжала добывать материал путем обработки ядерного топлива на ядерном промышленном комплексе «Маяк». Россия продала первый пакет плутония, весом в 18 килограмм, Штатам в 1993 году по цене более 1 500 000 долларов за килограмм. Россия стала единственным поставщиком планеты, но вскоре перестала принимать заказы. В 2009 году она отказалась продавать 11 килограмм США.

Осталось ли у России что-нибудь и может ли она сделать еще — неизвестно.

«Что мы знаем наверняка, так это то, что они не хотят продавать больше плутоний», — сказал Алан Ньюхаус, бывший консультант по ядерной энергетики, который возглавил покупку первого запаса плутония-238 у России. — «Я слышал, что им больше нечего продавать».

К 2005 году, по данным отчета министерства энергетики, правительство США располагало 40 килограммами, из которых две трети предназначались для проектов национальной безопасности, скорее всего, оборудования глубоководного шпионажа. Wired сообщает, что Министерство энергетики не разглашает, сколько топлива осталось на сегодняшний день, но ученые говорят, что у NASA осталось всего 18 килограмм.

Этого достаточно, чтобы космическое агентство запустило несколько небольших космический миссий до 2020 года. Близнец марсохода «Кьюриосити» должен отправиться на Марс в 2020 году и он потребует треть запасов. После этого межзвездные программы исследований NASA останутся ни с чем — особенно самые прожорливые, вроде «Орбитера», который должен был полететь на Европу. Чтобы искать признаки жизни на ледяном спутнике Юпитера, космическому кораблю понадобится более 25 килограмм плутония.

Advanced Test Reactor

«Ситуация с поставками уже влияет на планирование миссий», — рассказала Элис Капонити, ядерный инженер из Министерства энергетики, в чьих задачах лежит перезапуск производства плутония-238. — «Если вы планируете миссию, которая займет восемь лет, первое, что вам нужно найти — это топливо».

Многие из восьми глубоких космических миссий, которые NASA хочет осуществить в следующие 15 лет, уже отменены или задержаны. Другие миссии — некоторые из которых еще не предложены — даже не открывают свой рот, глядя на бедность NASA в плане плутония. С 1994 года ученые умоляли власть имущих перезапустить производство. Министерство энергетики считает, что даже скромные 10-20 миллионов ежегодного финансирования до 2020 года смогут дать нам от полутора до пять килограмм плутония-238 в год. Это достаточно, чтобы космические аппараты могли спокойно «вздохнуть».

***

В 2012 году одной строкой в 17-миллиардном бюджете NASA было 10 миллионов на эксперимент по созданию небольшого количества плутония-238. Цели: оценить, сколько можно сделать вообще; оценить стоимость полномасштабного производства; доказать, что США могли бы запустить производства снова. Это была половина денег, запрошенных NASA и Министерством энергетики (закон запрещает NASA производить плутоний-238). Эксперимент может продлиться еще семь лет и обойтись порядка 85-125 миллионов долларов.

В Национальной лаборатории Oak Ridge в Теннесси ядерные ученые использовали реактор High Flux Isotope, чтобы сделать несколько микрограмм плутония-238. Полностью переработанная программа по производству плутония была описана в плане Министерства энергетики, опубликованном на прошлой неделе, и она будет задействовать также второй реактор к западу от Айдахо-Фоллс под названием Advanced Test Reactor.

Этот объект расположен на ранчо Национальной лаборатории Айдахо. Солнце хорошо поджаривает эту пустынную местность. Вооруженные охранники останавливают и проверяют транспорт на придорожной заставе. Все закрыто колючей проволокой и электрифицированными ограждениями.

За последней контрольной точкой безопасности прячется комната размером с небольшой склад с бетонным полом. Пол исчерчен желтыми линиями, которые выделяют небольшой бассейн, закрытый металлической крышкой. За ней — 18 метров воды, которая поглощает излучение. На полпути до дна хранится двухметровое ядро реактора в форме четырехлистного клевера, продиктованной клиновидными карандашами урана.

«Вот где прячется нептуний», — говорит ядерный химик Стив Джонсон, показывая на схему радиоактивного клевера.

Нептуний, прямой сосед плутония в периодической таблице и стабильный побочный продукт эпохи ядерных реакторов холодной войны, это материал, из которого легче всего сделать плутоний-238. В том месте, куда указал Джонсон, инженеры берут рулоны с нептунием-237 и опускают их в активную зону реактора. Атом нептуния-237 поглощает нейтрон, испускаемый распадающимся ядром урана, теряет электрон и становится плутонием-238. Спустя год или два — после того как исчезнут вредные изотопы — техники купают рулоны в кислоте, удаляют плутоний и отправляют нептуний для новых переработок.

Неизбежность радиоактивного распада и ограниченное пространство реактора означает, что может понадобиться от пяти до семи лет, чтобы сделать полтора килограмма чистого и готового к использованию плутония. Даже если будет запущено полное производство, NASA выжмет все до последнего ватта из того, что всегда будет довольно небольшим запасом.

Стандартный источник питания, который называется многоцелевым термоэлектрическим генератором, — тот самый, который питает «Кьюриосити» — не будет брать это в расчет для исследований будущего.

«Они надежные, но используют чертовски много плутония», — говорит Джонсон.

Другими словами, NASA не просто нужен новый плутоний. Агентство нуждается в новой батарее.

* * *

В суматохе подвала Исследовательского центра Гленна NASA в Кливленде прячутся металлические клетки и прозрачные пластиковые коробки с гудящими устройствами. Многие из них похожи на штанги из нержавеющей стали длиной около метра, опутанные проводами; другие напоминают белые ящики размером с две небольших тумбочки.

Этот «зверинец» машин состоит из прототипов следующего поколения ядерно-энергетических систем NASA под названием «передовой радиоизотопный генератор Стирлинга» (Advanced Stirling Radioisotope Generator). Он обещает быть крайне эффективной ядерной батареей, превзойдя любую до него.

Снаружи машины неподвижны. Внутри происходит шквальное движение цикла Стирлинга, разработанного в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Бензиновые двигатели сжигают топливо для быстрого расширения воздуха, который толкает поршни, но преобразователям Стирлинга нужен только тепловой градиент. Чем больше разница между горячей и холодной частями двигателя Стирлинга, тем быстрее работают поршни. Когда тепло нагревает один конец герметичной камеры, содержащей гелий, газ расширяется, толкая груженый магнитом пистон по трубе из проволочной спирали для выработки электроэнергии. Холодный газ возвращается на горячую сторону, засасывая поршень назад для перезапуска цикла.

«Ничто ни с чем не соприкасается. В этом прелесть преобразователя», — рассказал Ли Мейсон, один из нескольких инженеров NASA, собравшихся в подвале. Их поршни плавают, как шайбы в воздушном хоккее, только в гелии.

На каждые 100 ватт выработанного тепла, генератор Стирлинга превращает более 30 ватт в электричество. Это почти в пять раз лучше, чем у ядерной батареи, питающей «Кьюриосити». Генератор может использовать одну четвертую плутония, в то время как электрическая мощность вырастет по крайней мере на 25 %. Меньше плутония — значит, эти моторы будут весить на две трети меньше, чем 50-килограммовая батарея «Кьюриосити». Важная разница для космического корабля, который отправится на далекое расстояние. «Кьюриосити» был самым большим и тяжелым аппаратом NASA, который агентство отправило на Марс, причем подавляющая часть массы его была посвящена безопасной посадке, а не науке. Уменьшение веса расширяет возможности для добавления интересных инструментов в будущих полетах.

Однако технология генератора Стирлинга относительно сложна, что беспокоит людей, проектирующих полеты в глубокий космос.

«Люди переживают за то, что данное устройство имеет движущиеся части», — рассказал Джон Хэмли, менеджер программы ядерных батарей NASA. Движение может помешать инструментам космического корабля, которые должны быть достаточно чувствительными, чтобы картографировать гравитацию, электромагнетизм и другие тонкие явления в космосе.

В качестве решения проблемы, каждый генератор использует два преобразователя Стирлинга, расположенных друг напротив друга. Бортовой компьютер постоянно синхронизирует их движения, чтобы взаимно компенсировать мешающие вибрации. Чтобы обнаружить и поправить недостатки конструкции, инженеры запихнули свои генераторы в вакуумные камеры, поставили на трясущиеся столы и забросали мощными вспышками излучения и магнетизма.

Первый прототип передового радиоизотопного генератора Стирлинга

Обычно NASA испытывает новые технологии в полтора раза дольше, чем нужно, прежде чем запустить их в космос. Генератору Стирлинга понадобится 25 лет. Испытания начались еще в 2001 году, сократив задержку до 13 лет — но это больше, чем NASA может ждать. В 2008 году только одна из 10 ядерных миссий задействовала устройство. К 2010 году в семи из восьми миссий, запланированных до 2027 года, потребовались генераторы.

Чтоб ускорить процесс, Хэмли и его команда работают с десятью разными единицами одновременно. Самое старое устройство почти непрерывно работает уже 10 лет, а новая конструкция была запущена в 2009 году. Общее количество данных с генераторов Стирлинга записано на 50 лет, что достаточно для моделирования быстрой перемотки вперед и активного испытания. Хэмли говорит, что все работает стабильно. В настоящее время его команда строит два полетоспособных генератора, третий будет тестироваться на земле.

Но при всем обещании технологий, это «не решит проблему», говорит Джон. Даже с использованием генератора Стирлинга запасов плутония-238 хватит только до 2022 года.

Любые задержки в финансировании программы производства плутония-238 поставят планетарную науку в тупик или задушат построенные на ядерном топливе миссии. Взгляды ученых одновременно и оптимистичные, и грустные.

Почему? Понадобилось огромное количество ученых и лоббистов, чтобы за 15 лет привлечь хоть какое-нибудь внимание правления. Печальный доклад о «Проблеме» 2009 года был подписан более чем пятью десятками ученых, что в конечном счете помогло выбить хоть какое-то финансирование из национального бюджета в 2009 году. Конгрессу потребовалось три года, чтобы понять, можно ли выделить на это 20 миллионов долларов из денег налогоплательщиков.

***

«Не проходит и дня, когда я не думаю о плутонии-238», — рассказал Джим Адамс, бывший заместитель начальника отделения планетарной науки NASA.

В Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне, Адамс смотрит сквозь стекло на ядерное чудо, на котором проходило освоение космоса в его юности. На поддельной лунной пыли лежит модель SNAP-27, батарея на плутонии-238, которой оснащался каждый аппарат, исследующий луну после «Аполлона-11».

В нескольких шагах от стенда находится модель первого «Викинга», который приземлился на Марс в 1976 году и начал копать планету в поиска воды и жизни. Он не нашел ничего. «Мы копнули недостаточно глубоко», — говорит Адамс. — «Всего на 4 сантиметра ниже глубины, до которой дошел «Викинг», был слой нетронутого льда».

Этажом выше висит модель «Вояджера», подвешенная под потолком. Три ядерных источника питания на борту реального космического аппарата были тем, что позволило «Вояджеру-1» и его близнецу «Вояджеру-2» оставаться на связи с Землей спустя 36 лет. Любой другой тип питания иссяк бы десять лет назад.

Та же технология питает аппарат «Кассини», который продолжает исследование Сатурна, отправляя бесценный поток данных и удивительных снимков планеты и ее многочисленных лун. Будущий облет Плутона «Новыми горизонтами» едва ли был бы возможен без такого надежного источника питания.

«Викингу» нужно было копнуть глубже. Теперь это нужно сделать и нам.