Марсоходът на НАСА Perseverance е първият космически кораб от години, пренасящ свеж американски плутоний. Няма да е последната.

Марсоходът

Източник на енергия на многофункционалния радиоизотопен термоизолатор на марсохода Perseverance, или MMRTG. (Кредит на изображението: Министерство на енергетиката)



Дълбоко в някои от най-почтените космически сонди на НАСА лежат сърца, пълни с плутоний, които бият, за да затоплят и захранват роботите, включително космическия кораб-близнак Вояджър, Касини, преди дръзкото му потапяне през пръстените на Сатурн и Ню Хоризонтс, преминаващи през развалините на пояса на Кайпер.



Но след Студената война САЩ спряха да произвеждат собствен плутоний. За известно време НАСА може да изпълнява своите мисии единствено от съществуващ или внесен плутоний. Но благодарение на промяната в партньорството на космическата агенция с Министерството на енергетиката, миналото лято пресният американски плутоний за пореден път напусна Земята в рамките на свързаната с НАСА Марс Устойчивост ровър - и още мисии ще го правят през следващите години. А за учените, които се фокусират върху външната слънчева система, това е жизненоважно.

„Нашето пътуване до откриване изисква от нас да можем да се откъснем от собствената си слънчева система“, каза Абигейл Раймър, космически физик в Лабораторията по приложна физика на Университета Джон Хопкинс в Мериленд и член на Групата за оценка на външните планети, която съветва НАСА. demokratija.eu. „Трябва да можем да вземем дома си със себе си; нашето захранване не трябва да зависи от нашата собствена звезда. Колкото повече излизаме, толкова по -вярно става това. “



Свързани: Къде да следваме във външната слънчева система? Учените имат големи идеи за изследване на ледени луни и др.

Има само няколко познати и надеждни начина за захранване на космически кораб; плутоний и слънчева светлина са най -честите избори. Но тъй като сондата се движи все по -навътре в Слънчевата система и по -далеч от слънцето, слънчевата светлина бързо губи силата си: космическият кораб Juno на НАСА, който в момента обикаля около Юпитер, например, изискваше напредък в технологията на слънчевата енергия, за да оцелее без ядрена технология, каза Раймер.

Така че, ако искате да изпратите космически кораб до гигантските планети на нашата Слънчева система и извън него, или до други тъмни места като постоянно тъмни региони дълбоко в кратери близо до полюсите на Луната вероятно ще искате ядрена енергия. Това предпочитание не е само за слънчевата светлина; ядрената енергия също помага на космическите кораби да се изправят срещу заплахи като ниски температури и висока радиация.



„Това ни позволява да изследваме къде слънчевата светлина не попада, но също така ни позволява да изследваме суровите среди и това е така, защото можем да вземем топлината си с нас“, Джун Закрайсек, мениджър на програмата за радиоизотопни енергийни системи (RPS) за НАСА в изследователския център Glenn в Охайо, каза пред demokratija.eu. 'Това е надеждността и тези фактори, които са наистина важни за нашите мисии и ние не бихме могли да изпълним някои от мисиите без него.'

Следващият космически кораб, задвижван от плутоний на НАСА, ще бъде водно конче мисия на роторкрафт, стартираща през 2027 г. към странната луна на Сатурн Титан, която НАСА казва получава около 1% от слънчевата светлина, която прави Земята. Поради източника на ядрена енергия на Dragonfly, космическият кораб вероятно ще замръзне до смърт в пейзажа на течен метан и извисяващите се водни ледени скали много преди да изчерпи мощността си, каза Закрайджек.

Dragonfly принадлежи към клас мисии на НАСА, наречени Нови граници , по -амбициозното ниво на предложенията за планетарни научни експедиции, които НАСА приема от учени извън своите центрове. Фактът, че НАСА дори обмисля Dragonfly - много по -малко го избра - говори за напредъка на агенцията, работеща с Министерството на енергетиката, за да увеличи доставките на плутоний, достъпни за дизайнерите на мисии.



Артист

Художник изобразява мисията на НАСА Dragonfly на повърхността на луната на Сатурн Титан.(Изображение кредит: НАСА/APL на Johns Hopkins)

В предизборната кампания за предишната мисия New Frontiers, каза Zakrajsek, НАСА предвиди, че космическите кораби трябва да работят без ядрена енергия, тъй като агенцията не беше сигурна, че партньорството ще има достатъчно плутоний, за да достави нова мисия. ( OSIRIS-REx по време на този кръг беше избрана мисия за проба на околоземния астероид Bennu.)

Zakrajsek нарече наличието на гориво за по -новия избор „голяма работа“. „Фактът, че вече не вземаме решения за ограничаване на мисии въз основа на RPS [радиоизотопни енергийни системи], е важен“, каза тя. 'Изглежда, че това прави учените малко по -щастливи.'

Преходът се дължи отчасти на решението на НАСА ежегодно да оценява нуждите си от плутоний за следващото десетилетие, каза тя, като даде на партньорството повече подготовка за осигуряване на необходимите доставки. Това се дължи и на решението на Министерството на енергетиката да произвежда плутоний на космически кораби с постоянна скорост - рязка промяна в сравнение с предишния процес.

„НАСА ще се обърне към отдела и ще ни уведоми:„ Хей, предстои мисия “, каза Трейси Бишоп, заместник -помощник секретар по програмите за ядрена инфраструктура в Министерството на енергетиката, пред demokratija.eu. „Ние щяхме да извадим оборудването от режим на готовност, да отидем и да наемем нов персонал, да преквалифицираме оборудването и процесите, да произвеждаме гориво, да подкрепяме разработването на RPS - и след като мисията приключи, щяхме да изоставим възможностите и да ги поставим в режим на готовност до следващото добавяне. “

Тази система е проектирана отчасти, защото космическите кораби на НАСА са единственото използване на Министерството на енергетиката за този конкретен материал, плутониев оксид, също наречен плутоний-238 . Космическите кораби може да не са това, за което някой първо мисли, когато го попитат за плутоний. 'Нашата употреба е далеч най -малко известното от нещата, за които се използва плутоний', каза Раймър. (Плутонийът, използван в ядрените оръжия и реакторите, включва допълнителен неутрон в сравнение с разнообразието от космически полети.)

Но през 2017 г. НАСА и Министерството на енергетиката решиха, че процесът на спиране и движение е твърде рисков за космическия кораб, който не може да се изстреля без плутоний-238. Бишоп каза, че с новата система за постоянно производство агенцията се надява да обръсне до две години от графика на производство, което може да продължи до десетилетие.

Свързани: Защо Марсоходът на НАСА 'Устойчивост' ще използва ядрена енергия, за да се затопли

НАСА

Марсоходът на НАСА 'Устойчивост' по време на подготовката за стартиране, с място за ядрения източник на роувъра.(Кредит на изображението: НАСА/JPL-Caltech)

Плутонийът на борда на марсохода Perseverance говори за въздействието на този нов подход. Министерството на енергетиката не е планирало да снабдява този космически кораб с гориво. Но първият плутоний от новия производствен процес беше готов и все пак трябваше да бъде оценен, така че след като агенцията определи, че отговаря на изискванията на НАСА, служителите на програмата решиха да продължат и да завършат подготовката на материала няколко години по -рано, за да тестват системите, - каза епископ. Тя отбеляза, че успехът на проекта повиши доверието на Министерството на енергетиката, че може да задоволи нуждите на НАСА от гориво в бъдеще.

„Много е лесно да завъртите циферблата малко, ако проекцията на мисията се промени, в сравнение с изключването на циферблата и сега трябва да го включите и да изчакате да загрее и да се вгради в процеса“, каза тя. 'Сега това е по-скоро фина настройка.'

Докато Министерството на енергетиката увеличава производството на плутоний, НАСА работи върху разработването на следващото поколение електроенергийни системи, които ще задържат този плутоний, каза Закрайджек, като работата се фокусира върху два различни подхода.

Един, наречен динамичен радиоизотопен източник на захранване, може да бъде три или четири пъти по-ефективен от сегашния стандарт, многомисионен радиоизотопен термоелектрически генератор (MMRTG). Динамичната система обаче е сложна, тъй като, както подсказва името, тя включва движещи се части.

'Космосът е труден и наистина е трудно за системите, които се движат', каза Zakrajsek. В момента НАСА работи по проектирането на такава система, която потенциално може да бъде готова за изпитателен полет на Луната в края на десетилетието, отбеляза тя.

Вторият подход се основава на собственото наследство на НАСА, основано на първите системи за ядрена енергия на космически кораби. Тази система ще бъде усъвършенствана, по -ефективна версия на RTG агрегатите с общо предназначение за топлинен източник (GPHS), които са летели на Galileo, Cassini и New Horizons. Zakrajsek каза, че този вид източник на енергия ще бъде особено привлекателен за по -големи мисии, насочени към Нептун или Уран.

Комбинация от изображения показва как Нептун и най -голямата му луна Тритон може да са се появили на приближаващия се космически кораб „Вояджър 2“ през 1989 г.

Комбинация от изображения показва как Нептун и най -голямата му луна Тритон може да са се появили на приближаващия се космически кораб „Вояджър 2“ през 1989 г.(Изображение кредит: НАСА)

По стечение на обстоятелствата, Раймър ръководи екип, който проучва как би могла да се изучава точно такава хипотетична мисия Нептун и най -голямата му луна Тритон. Тя описа предизвикателния процес на опит да „обръсне всеки ват и грам, който можем“ от инструментите, за да отговорим на ограниченията на възможностите за стартиране и захранване, без да жертваме научните цели.

„Това е огромно усилие, защото е едно от нещата, които можем да контролираме“, каза тя. „Физиката ви казва колко енергия ви е необходима, за да оцелеете, за да стигнете до целта си, но ние имаме учени и инженери, които всъщност могат да оптимизират колко мощност трябва да използвате, когато стигнете дотам, така че ние се фокусираме върху това доста.“

Въз основа на настоящите производствени графици, ако единствените предходни космически кораби, използващи ядрена енергия, бяха мисията Dragonfly, едва ли щеше да има достатъчно плутоний за захранване на хипотетичната мисия Нептун/Тритон.

Има обаче вероятност друга мисия да се присъедини към опашката. НАСА скоро ще обяви кой от четирима финалисти той е избрал в по -малкия Клас на откриване на мисии. (Тази програма включва космически кораби като лунния разузнавателен орбитален апарат и геоложкия кацащ апарат InSight на Марс, както и бъдещи астероидни мисии Lucy и Psyche.)

Един от четирите финалисти, Trident, ще изследва Тритон - и ще разчита на два ядрени блока. Вероятно е, ако тази мисия бъде избрана, НАСА ще пропусне по -голяма идея за Нептун/Тритон, за да избегне дублиране на научна работа, но има много други далечни светове, които си струва да бъдат проучени. А продължаващият призрак на недостиг посочва ограниченията, които учените все още трябва да имат в съзнанието си, когато обмислят бъдещи космически кораби.

Просто това ограничение НАСА се надява, че преустроеното партньорство с Министерството на енергетиката ще премахне.

„Ако плутонийът се произвеждаше постоянно през цялото време, тогава щяхме да имаме хубави големи запаси от него“, каза Раймър. 'Надявам се, че това ще бъде ситуацията, в която ще се окажем след не много години.'

Изпратете имейл на Меган Бартелс на mbartels@demokratija.eu или я последвайте в Twitter @meghanbartels. Последвай ни в Twitter @Spacedotcom и във Facebook.