Plutónium az űrkutatásban

A legtöbben talán a Mentőexpedíció magyar címmel futó regény vagy film kapcsán hallottak a rádióizotópos elektromos rendszerekről, azonban a plutóniumot felhasználó eszközök meglehetősen régóta üzemelnek a Naprendszerben (a Voyagerek jóvoltából azon kívül is). Az első űrbéli útra 1961-ben került sor, amikor egy navigációs műhold kapott 96 gramm plutóniumot felhasználó generátort. A plutóniummal működő elektromos generátorok rendkívül megbízhatóak, és szemben a napelemes elektromos rendszerekkel, nem jelent problémát számukra a por sem – emiatt működik így a Curiosity és a Perseverance marsjáró is. Rádióizotópos generátorokkal szerelték fel azokat a nagy távolságú űrszondákat is, amelyek a Naprendszer távoli, hideg régióiba utaztak, például a Galileo, a Cassini, vagy a New Horizons űrszondák, hogy csak a közelebbi múltat nézzük.

A módszert itt a Földön is alkalmazták, főként olyan távoli helyszíneken, ahol sokkal költségesebb lett volna hagyományos üzemanyaggal áramot előállítani, így például a volt Szovjetunió sarkvidéki régiójában sok száz világítótornyot üzemeltett ezek segítségével. Az ország felbomlását követően senki se foglalkozott ezekkel az építményekkel, így néhány eszköznek lába kélt (vagy elrabolták, vagy elsodorta a tenger), azonban 2021-re sikerült minden egykor elhagyott generátort begyűjteni. Az USA is használta e berendezéseket a saját sarkvidékén, azonban nem plutóniummal, hanem stronciummal üzemelőket alkalmaztak.

Miként is működik egy rádióizotópos termoelektromos generátor (RTG)?

Az eszköz a lehető legprimitívebb generátor. A radioaktív izotóp természetes bomlása miatt termelődő hőt hasznosítja, mozgó alkatrészek nélkül, hőelemek segítségével. A hőelem egyik része hideg, a másik pedig a generátorban termelődő hő révén meleg, ez a különbség hozza létre az elektromos áramot. A legtöbb esetben a plutónium 238-as izotópjának oxidját használják, a Curiosity marsjáró kb. 4,5 kilónyit vitt magával a Marsra. Ez nem kis mennyiség!

Egy ideig (az 1980-as évek végétől) az USA nem állított elő az RTG-k számára felhasználható plutónium-238-at, ez pedig odáig fajuló problémává nőtt, hogy a szakemberek szerint veszélybe került a NASA küldetéseinek sora, és az USA vezető űrkutató szerepének fenntartása is. A plutónium-238 az optimális alapanyag, mivel nagy az energiasűrűsége, 87,7 év a felezési ideje, és a kevésbé sugárzó izotópok közé tartozik, ezáltal sokkal kevesebb árnyékolás is elegendő hozzá, mint a többi szóba jöhető anyaghoz. A problémát egyedül az előállítás jelenti, mivel speciális technikát igényel a folyamat, amelynek újraindítását egy 2011-es kongresszusi határozatban döntötték el.

A cél az volt, hogy évi 1,5-2 kilónyit készítsenek a NASA számára ebből az igen értékes anyagból. Az elmúlt évtized legnagyobb egyben leszállított adagját nemrégiben adták át, ez fél kilónyi plutónium-238-oxidot jelent, 2026-ra már 1,5 kilót készíthetnek belőle. (A korábbi, kisebb szállítmányokból jutott a Perseverance marsjáróra már.) Az izotóp felhasználásának hatékonyságát is igyekeznek persze javítani, az RTG-k modernizálása, fejlesztése révén.