Problem z dostępnością plutonu-238 wymaga nowych rozwiązań
Radioizotopowe generatory termoelektryczne to technologia o imponującej prostocie. Zamieniają ciepło z rozpadu promieniotwórczego bezpośrednio na energię elektryczną, nie posiadając przy tym żadnych ruchomych części. Trzy takie urządzenia na pokładzie sond Voyager zawierały po niemal pięć kilogramów plutonu-238. W momencie startu w 1977 roku dostarczały około 470 watów mocy. Po pięćdziesięciu latach wciąż generują ponad 200 watów, co pozwala na utrzymanie łączności z Ziemią z odległości liczonych w miliardach kilometrów. Pluton-238 ma okres półtrwania wynoszący 88 lat, co stanowi dobry kompromis między mocą a trwałością. Niestety, jego wytwarzanie napotyka poważne ograniczenia. Amerykańskie reaktory produkują zaledwie kilkaset gramów rocznie, podczas gdy pojedyncza misja w głęboką przestrzeń potrzebuje około pięciu kilogramów. Ta dysproporcja zmusza do dokonywania trudnych wyborów między konkurującymi projektami badawczymi.
Czytaj też: Naturalne złoża grafitu kluczem do energetycznej rewolucji. Australijczycy opracowali materiał przyszłości
Rozwiązaniem może być ameryk-241, który powstaje naturalnie w odpadach jądrowych jako produkt rozpadu plutonu-241. Europa, a szczególnie Wielka Brytania, dysponuje znacznymi zapasami tego izotopu, które dotychczas traktowano jako materiał do utylizacji. Okres półtrwania ameryku-241 wynosi 432 lata, czyli ponad pięciokrotnie dłużej niż plutonu-238. Dla misji projektowanych na stulecia ta cecha ma fundamentalne znaczenie. Nie jest to jednak idealne zastępstwo. Ameryk-241 generuje zaledwie 0,1 wata mocy cieplnej na gram, podczas gdy pluton-238 dostarcza 0,5 wata. Oznacza to, iż generator wykorzystujący ameryk musiałby być pięć razy większy lub cięższy, aby osiągnąć tę samą moc. Dla misji z ograniczeniami masy, takich jak lądowniki czy łaziki, stanowi to poważne wyzwanie. Jednak nie wszystkie misje wymagają dużej mocy. Instrumenty badające odległe rejony Układu Słonecznego, sondy międzygwiezdne czy przyszłe wyprawy poza nasz układ planetarny mogą funkcjonować przy minimalnym zasilaniu przez setki lat. Dla nich długowieczność ameryku-241 okazuje się bezcenna.
Program ENDURE i europejska niezależność technologiczna
Europejska Agencja Kosmiczna nie chce pozostawać zależna od dostaw plutonu-238 z USA. Program ENDURE ma na celu stworzenie europejskich zdolności produkcyjnych paliwa radioizotopowego. Francuska firma Framatome podpisała umowę z ESA oraz partnerami Perpetual Atomics i Amentum dotyczącą industrializacji zamkniętych źródeł paliwa opartych na ameryku-241.
Ten kontrakt wspiera program ENDURE, którego kluczową cechą jest zapewnienie Europie suwerennych zdolności przemysłowych do produkcji zamkniętych źródeł paliwa opartych na radioizotopach – tłumaczy przedstawiciel ESA
To nie tylko kwestia dostępności surowca. W obliczu napięć geopolitycznych i utraty dostępu do rosyjskich systemów zasilania, niezależność technologiczna staje się priorytetem. Wielka Brytania, z jej znaczącymi zapasami ameryku w odpadach jądrowych, może stać się kluczowym graczem w tej dziedzinie.
Biorąc pod uwagę znaczące zapasy ameryku w Wielkiej Brytanii i w Europie, a także niezrównaną dojrzałość naszych systemów radioizotopowych, to partnerstwo opiera się na znaczącym, światowej klasy doświadczeniu – dodaje Richard Ambrosi, dyrektor naukowy Perpetual Atomics
Zastosowanie silników Stirlinga może zwiększyć efektywność
Inżynierowie pracują nad sposobami zrekompensowania niższej gęstości mocy ameryku-241. Tradycyjne generatory RTG wykorzystują termoelementy, które są niezwykle niezawodne, ale mało efektywne, ponieważ przekształcają zaledwie pięć procent ciepła w energię elektryczną. Silniki Stirlinga mogłyby osiągnąć wydajność na poziomie 25 procent lub więcej. Te urządzenia posiadają ruchome części, co zawsze budzi obawy dotyczące niezawodności w warunkach kosmicznych. Jednak współczesne konstrukcje są na tyle zaawansowane, że ryzyko może być akceptowalne, szczególnie w zamian za pięciokrotnie lepszą wydajność. Takie rozwiązanie mogłoby sprawić, iż generatory z amerykiem staną się konkurencyjne wobec tych wykorzystujących pluton, pomimo niższej gęstości mocy.
Czytaj też: Ten silnik łączy Ziemię z kosmosem. Wytwarza energię w niewyobrażalny sposób
Ameryk-241 znamy głównie z domowych czujników dymu, gdzie wykorzystuje się jego właściwości promieniotwórcze do wykrywania cząstek. Ten sam pierwiastek może pewnego dnia zasilać instrumenty dryfujące między gwiazdami lub sondy badające podpowierzchniowe oceany na księżycach Jowisza i Saturna. Dzięki programowi ENDURE i własnym zasobom surowca, Europa ma szansę stać się liderem w tej technologii, otwierając nowy rozdział w długotrwałych misjach kosmicznych. Co istotne, ameryk jako potencjalne paliwo dla kosmicznych ekspedycji oferuje nie tylko rozwiązanie problemu dostępności, lecz również sposób na wykorzystanie materiałów, które dotychczas stanowiły kłopotliwy odpad. To podejście wpisuje się w szerszy trend poszukiwania rozwiązań bardziej zrównoważonych i ekonomicznych. Europa, inwestując w rozwój tej technologii, nie tylko zabezpiecza swoją pozycję w eksploracji kosmosu, ale dodatkowo tworzy wartość dodaną z istniejących już zasobów.