У нас заканчивается ядерное топливо для космических путешествий

Спускаемый аппарат Philae миссии Rosetta проработал всего 60 часов на комете, поскольку приземлился в тени скалы, где не смог подзарядить солнечные батареи. Почему нельзя было снабдить его надежным источником питания, скажем, ядерной батареей, которая питает «Вояджер» уже много лет? Это весьма простой вопрос с интереснейшим ответом, который начинается холодной войной и заканчивается будущим освоения космоса.

Когда дело доходит до космических миссий, плутоний-238 представляется идеальным топливом: работает долго и относительно безопасен (подробности позже). Без него у нас нет никакой надежды забраться дальше Марса, потому что там становится слишком темно, чтобы полагаться на солнечные батареи, самый распространенный альтернативный источник питания в космосе. Проблема в том, что плутоний-238 в мире стремительно заканчивается. Потому что мы перестали делать ядерное оружие.

Рожденный в холодной войне

Плутоний-238 — это побочный продукт производства плутония-239, который известен в качестве основного ингредиента для ядерного оружия. Во время холодной войны, которая породила космическую гонку, это было весьма удобно. Саванна-Ривер в Южной Каролине, который производил плутоний-239 для бомб, отдавал плутоний-238 спутникам и космическим зондам. После того как Саванна-Ривер закрылся в 80-х годах, NASA начало покупать плутоний-238 в России.

На плутонии-238 в космос отправились два космических аппарата «Вояджер», марсоход «Кьюриосити» и нескольких других космических зондов, исследующих темные внешние пределы нашей Солнечной системы.

Плутоний-238 — идеальное топливо для космических аппаратов. Будучи высокорадиоактивной, его излучение не проникает через другой материал, делая плутоний-238 относительно безопасным. Облаченные в иридий, гранулы плутония-238 светятся красным, выделяя большое количество тепла. Пока эти гранулы не трескаются, радиация не представляет проблемы. Их помещают в радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ), которые превращают тепло в электричество.  Этот процесс может длиться годы и даже десятилетия — благодаря этому «Вояджеры» до сих пор исследуют космос и межзвездное пространство в данный момент.

Гранула плутония-238, которая была сделана для РИТЭГ миссий «Кассини» — к Сатурну, или «Галилео» — к Юпитеру

Здесь, на Земле, запасы плутония-238 и его поставки стремительно сокращаются. Согласно недавней статье, опубликованной в Nature, у NASA есть только 35 килограммов плутония-238, менее половины из которого можно использовать в качестве топлива. Следующая миссия на Марс, запланированная на 2020 год, заберет 5 килограммов. Россия больше не продает плутоний-238, возможно, потому что он тоже на исходе или закончился.

Этот изотоп не встречается в природе. Ни у кого на Земле больше нет плутония-238.

Может быть, стоит снова начать производство плутония-238?

Комната управления High Flux Isotope Reactor, где делали плутоний-238 в Оук Ридже. Очень старая

Теперь у нас есть план. В 2013 году NASA приступило к выплате Министерству энергетики по 50 миллионов долларов в год для разработки программы по производству плутония-238. Поскольку все заводы, которые его производили, уже закрыты, это будет крайне непросто. И очень долго. Даже если все пойдет по плану, Министерство энергетики начнет делать по 1,1 килограмму плутония-238 в год к 2021 году.

В настоящее время план производства включает в себя создание не менее трех лабораторий по всей стране:

• Национальная лаборатория Айдахо: материал-прекурсор, нептуний-237, извлекается из топлива ядерных реакторов.
• Оук Ридж в Теннесси: реактор перерабатывает нептуний-237 для производства плутония-238. Плутоний-238 и остатки нептуния-237 используются в качестве топлива и перерабатываются.
• Лос-Аламос, Нью-Мексико: плутоний-238 спрессовывают в гранулы и хранят.

В процессе этого у США, наконец, будет плутоний-238, который можно использовать. Также есть план по превращению лаборатории в Айдахо во вторую фабрику по работе с нептунием-237, потому что все ее мощности до сих пор работают.

На деле же, большая часть второй половины плана остается под вопросом. Представитель Министерства энергетики подтвердил, что ученые Оук Ридж сейчас начинают экспериментировать над химическим процессом по извлечению плутония-238 из нептуния-237 в процессе облучения. Затем последует утомительный, но важный процесс масштабирования этой последовательности. Он займет не меньше семи лет.

Неопределенное будущее

С текущим запасом NASA и производственным планом Министерства энергетики, у США достаточно плутония-238 для оснащения двух миссий за десять лет на ближайшие несколько десятилетий. Это, конечно, лучше, чем ничего, но при этом наводит на мысли о том, каким сдерживающим фактором на самом деле является ядерное топливо для исследования космоса.

В свете всего этого становится понятно, почему миссия «Розетта» не была хорошим кандидатом для РИТЭГ. Европейскому космическому агентству пришлось бы покупать плутоний-238 у США или России, и ни одно из этих государств не захотело бы расстаться с драгоценным ресурсом. Солнечные батареи остались жизнеспособным вариантом, в отличие от, скажем, грядущей миссией «Новые горизонты» NASA к Плутону, где слишком темно, чтобы полагаться на солнечный свет.

Холодная война способствовала освоению космосу, и ядерное топливо эпохи холодной войны все еще питает наши современные космические аппараты. Несмотря на весь ужас холодной войны и экологическую катастрофу, вызванную производством ядерного топлива, у нас хотя бы есть возможность выйти за пределы Земли и заглянуть в необъятные просторы космоса.