21 april 2019

NASA innoveert plutonium productie proces voor verre ruimtemissies

NASA’s Oak Ridge National Laboratory in de Amerikaanse staat Tennessee, heeft in samenwerking met het Department of Energie (DoE) een nieuwe innovatie in het plutonium-238 productie proces aangebracht dat een groot probleem voor verre ruimte reizen deels kan oplossen. De innovatie komt op een uiterst gelegen moment daar NASA zich aan het oriënteren is op een gehele nieuwe generatie van verre ruimtereizen o.a. naar de manen Europa, Titan en de ijsplaneet Uranus. Zonnepanelen werken prima voor ruimtevaartuigen die dichter bij huis blijven en de binnenste regionen van het zonnestelsel aandoen, echter zodra ze zeer verre afstanden moeten afleggen zoals NASA’s Juno missie naar Jupiter bijvoorbeeld dan heeft het vaartuig gigantische zonnepanelen nodig  om bescheiden hoeveelheden watt aan elektriciteit te genereren. Bovendien zijn zonnepanelen kwetsbaar en is het beschikbare zonlicht niet constant; bv tegen de immense grote stofstormen op Mars in 2018 was de op zonne-energie opererende Opportunity niet bestand, terwijl de door nucleair aangedreven Curiosity rover geen problemen ondervond.

New Horizons met RTG, zwart, linksvoor, credits; NASA / DoE

Radioactief plutonium is een ideale energie bron voor stroomvoorziening op verre ruimtemissies en exploratie van planeten, zeker als ze ver van de zon afliggen. Compact en licht van gewicht, het radioactieve element heeft een halfwaardetijd van 87.7 jaar, dat betekent dat het na die tijd nog de helft van zijn oorspronkelijke output aan energie genereert – zo rond de 570 watt per kilogram –  en dat krap negentig jaar na productie datum. Plutonium is de brandstof waar de Voyagers 1 en 2 (resp. 144 en 119 AU afstand van de zon) door de interstellaire ruimte op reizen. Deze Voyagers vertrokken in 1977 en houden ferm stand. In theorie zou iedere alien reiziger die de ruimtescheepjes van naderbij zou onderzoeken de productie datum van de beide Voyagers kunnen herleiden door de radioactieve restanten van hun beider Pu-238 warmtebron te onderzoeken. Helaas laat de productie qua snelheid en dus aanwas van de voorraad van Pu-238 veel te wensen over. Het element komt vrijwel niet voor in de natuur en het moet kunstmatig geproduceerd worden. In de VS wordt het gemaakt als een bijproduct van het splijtbare Pu-239 dat vanaf de Koude Oorlog geproduceerd werd voor nucleaire wapens. Plutonium productie werd stopgezet in de VS in 1988 en NASA put momenteel uit een slinkende plutonium-238 voorraad voor o.a. de Cassini en New Horizons missies. De totale hoeveelheid van de Pu-238 voorraad voor NASA missies is geheim maar men schat dat het nog voldoende is voor de Mars 2020 rover missie en twee soortgelijke missies. De Curiosity Mars rover gebruikt plutonium dat in Rusland gekocht is. Het probleem is ook dat het resterende plutonium langzaam aan het vervallen is – de sinds 1988 geproduceerde voorraad zou inmiddels met 22 %, nu in 2019 afgenomen moeten zijn. De NASA missies gebruiken de Pu-238 voor elektriciteit opwekking via het Multi-Mission Radio isotope Thermoelectric Generator (MMRTG)*. Het lanceren van ruimtevaartuigen uitgerust met zo een RTG is niet zonder risico’s: in 1964 belandde een Transit SBN-3 ruimtevaartuig samen met zijn RTG in de Indische Oceaan net na lancering, de Apollo 13 astronauten die in 1970 in de buurt van de Marianen Trog in de Stille Oceaan terechtkwamen hadden hun RTG behorende bij het maan instrumentuitrusting ‘ALSEP’  bij zich maar de RTG’s hebben voor zover bekend nooit lekkage vertoond. Met de lancering van de New Horizons in 2006 berekende NASA de kans op een mislukte lancering met radioactieve contaminatie tot gevolg als 300:1.

In 2013 herstartte het Department of Energie de plutonium-238 productie voor ruimte exploratie. Doelstelling is een productie van 1.5 kg op jaarbasis te halen. Dat zou genoeg zijn om de toekomstige NASA missies die naar de buitenste regionen van het zonnestelsel zullen gaan te voorzien van elektriciteit, zo is er o.a. de Europa Clipper missie, de Mars Sample Return Mission, een Uranus en/of Neptunus verkenningsmissie en een Titan helikopter missie. Allen  kunnen niet buiten een RTG. NASA heeft ook de mogelijkheid onderzocht om meer rendement te halen uit de Advanced Stirling Radioisotope Generators (ASRG), en het ziet er naar uit dat deze ASRG’s vier keer zo efficiënt zouden kunnen werken als de meer traditionele MMRTG’s. NASA maakte in 2013 de zeer lastige beslissing om ASRG ontwikkeling van overheidswege stop te zetten maar regelde de door ontwikkeling van de ASRG’s zo goed en zo kwaad als het kon vanaf dat jaar via particuliere aanbestedingen.

Plutonium-238 productie bij Oak Ridge credits; ORNL

Plutonium-238 productie bij Oak Ridge; de groene gloed is afkomstig van een laser die deel uitmaakt van het geautomatiseerde meetsysteem, dat beoordeelt of de plutoniumpellets voldoen aan de specificaties voordat ze in de buizen worden geladen en in de hoge-flux isotopenreactor worden geplaatst voor bestraling.

De wetenschappers van het Oak Ridge Lab hebben een andere oplossing gevonden dat de plutonium productie automatiseert. De eerste stap in het proces is om neptunium oxide – aluminium pellets te drukken in besloten aluminium tubes; deze worden vervolgens bestraald in de Flux Isotoop Reactor van het lab en vervolgens chemisch bewerkt in het  Radiochemical Engineering Center. Deze eerste stap in het proces, het drukken van de pellets in de tubes werd vooralsnog handmatig gedaan, een tijdslurpend proces en een bottleneck in de productielijn. Dit kwam daar zelfs met alle veiligheidsprotocollen in acht genomen de uren die mensen aan de pellets konden werken zeer beperkt waren vanwege de stralingsrisico’s.  Door automatisering hoopt het ORNL de productie van plutonium op te kunnen schroeven van 50 tot 400 gram per jaar waarbij het doel is om tegen 2025 een 1.5 kg per jaar te kunnen produceren.Per kg kost plutonium ongeveer 8 miljoen USD. In plaats van 80 gaat men naar 275 pellets per week, aldus Bob Wham (ORNL) in het ORNL persbericht. Het Oakridge lab dat ook tijdens shutdowns van de regering altijd doorwerkt en altijd het zelfde zeer nauwgezette productie schema aanhoudt hoopt dat NASA’s problemen i.v.m. een tekort aan Pu-238 zeer binnenkort tot het verleden gaan behoren. Op tijd voor de next-generation ruimte exploratie missies. Credits; Sky and Telescope

*een multi-mission radioisotoop thermoelektrische generator of MMRTG is een type RTG specifiek ontwikkeld voor NASA ruimtemissies, waaronder het Mars Science Laboratory. De ontwikkeling valt onder toezicht en verantwoording van het Amerikaanse Department of Energy ‘Space and Defense Power systems’. De MMRTG wordt ontwikkeld door de Amerikaanse industrie in deze Aerojet Rocketdyne en Teledyne Energy Systems.  

 

Reacties

  1. Kans van 300:1 dat onze atmosfeer voor eeuwig vervuild raakt met het meest kanker veroorzakende stofje Plutonium geeft toch geen prettig gevoel. Daar heb je dus “ff snel berekend” slechts 300 lanceringen voor nodig…

    • Angele van Oosterom zegt

      Bij raketlanceringen en bij explosies zoals van de Space shuttle (2 fatale rampen op 135 missies) en in 2013 van een Proton raket komen er ook enorme hoeveelheden toxische stoffen vrij (distifstoftetraoxide en zoutzuur). Ook dit heeft besmet water, grond, zieke en dode dieren in de omgeving tot gevolg. Space shuttle astronauten mochten pas uren na landing uitstappen vanwege de giftige walm die rond het toestel hing.

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: