Плутоният ни даде „Вояджърите“, но ерата му приключва – на негово място идва америцият, който може да захранва сондите в продължение на векове

Радиоизотопът, който се разработва от 50 години. Горивото, което може да надживее цивилизациите.

Преди почти 50 години, през 1977 г., два автоматични апарата – „Вояджър 1“ и „Вояджър 2“ – се отправиха към границите на Слънчевата система. Техните слънчеви панели нямаше да издържат на такова пътуване, а батериите отдавна щяха да са се изтощили. Но и двете сонди все още поддържат връзка с близкия до звездата регион благодарение на компактните си ядрени източници на енергия. Вътре в техните радиоизотопни генератори се намира плутоний-238 – изотоп, който генерира топлина в продължение на десетилетия и осигурява стабилен ток.

Сега изследователите разполагат с нов кандидат за такива мисии. Става дума за америция – гориво, което може да работи не в продължение на десетилетия, а на векове. То би могло да даде на държавите независимост от ограничените доставки на плутоний-238 и да открие възможността за изстрелване на апарати, които ще се отправят към други звезди, независимо че на Земята ще се сменят няколко поколения. За да разберем защо това е важно, трябва да си спомним как изобщо се захранват междупланетните превозни средства.

Слънчевите панели са чудесни за сателитите в орбита или за МКС. Те работят и на Марс, стига времето да е стабилно. Но когато се отдалечаваме от Слънцето, светлинният поток бързо намалява. При Юпитер осветеността е 25 пъти по-слаба, отколкото в близост до Земята, а около орбитата на Плутон е около хиляда пъти по-слаба.

Ако „Вояджър“ разчиташе само на слънчеви панели, всеки от тях щеше да се нуждае от гигантски конструкции с размерите на футболно игрище. Вместо това инженерите са поставили на тях компактни RTG, които са с размерите на метален варел. Вътре има таблетка с плутоний-238: при разпадането на ядрата се отделя топлина, а термодвойките превръщат тази топлина в електричество. В системата няма движещи се части, така че няма какво да се счупи, а генераторът произвежда стабилна енергия в продължение на десетилетия.

При изстрелването всеки „Вояджър“ произвеждаше около 470 вата. Днес, близо половин век по-късно, трите му генератора осигуряват малко над 200 вата – все още достатъчно, за да поддържат работата на ключовите инструменти. Плутоний-238 обаче не може да се използва за оръжия: той не поддържа верижна реакция и просто се охлажда бавно, без да създава опасни прецеденти.

Плутоний-238 се е превърнал в стандарт поради комбинацията от висока мощност и период на полуразпад от 88 години. Той е използван още през 1969 г., първо в сателитните апарати, а след това в генераторите на научните станции „Аполо“. По-късно той направи възможно изпращането на сонди до Юпитер, Сатурн, Плутон и отвъд тях.

Касини например работи близо до Сатурн в продължение на тринадесет години и използва 33 кг плутоний-238. Без него той просто нямаше да издържи на студа и слабата светлина на такива разстояния. Проблемът се оказва друг: изотопът трябва да се произвежда ръчно, а след края на Студената война производството му спада драстично. Към 2000 г. НАСА е изправена пред истински недостиг. RTG на роувъра Curiosity е един от последните проекти, които получиха голяма порция стари запаси.

Производството можа да бъде възстановено едва през 2015 г., когато Националната лаборатория „Оук Ридж“ отново получи първите грамове. Сега получаваните годишно количества се измерват в стотици грамове. За една мисия обаче често са необходими пет или повече килограма. С тези темпове САЩ просто нямат време да попълнят запасите. Именно този недостиг накара специалистите да насочат вниманието си към америция.

Америцият е синтетичен елемент, който се появява през 1944 г. по време на проекта „Манхатън“. За космоса най-интересният изотоп е америций-241. Неговият период на полуразпад е 432 години – пет пъти по-дълъг от този на плутоний-238.

Но най-важното е неговата достъпност. Америций-241 се образува в отработеното ядрено гориво при спонтанното разпадане на плутоний-241. С течение на годините той се натрупва в хранилищата. Обединеното кралство вече разполага с големи запаси от такъв материал и той може да бъде извлечен, което буквално превръща старите ядрени отпадъци в ресурс за междупланетни пътувания. За Европа това е не само удобен източник на гориво, но и стратегическа независимост. Не е необходимо да се чака за доставки на плутоний от САЩ и не е необходимо да се зависи от политически ограничения.

Плутоният все още има силно предимство – той отделя повече топлина: около 0,5 вата на грам. Американцият отделя около 0,1 вата. Ето защо генераторите, използващи новото гориво, са по-големи и по-тежки. В космоса масата е от решаващо значение: всеки допълнителен килограм увеличава цената на изстрелването.

Поради тази причина плутоният остава най-добрият вариант за мощни платформи като марсоходите Perseverance и Curiosity със сондажни инструменти, камери, спектрометри и мощни предаватели. Америцият е по-подходящ за по- малките превозни средства, които се нуждаят само от „жизнена температура“ и минимална мощност – но за векове.

Европа вече активно работи с америций. Университетът в Лестър разработва радиоизотопни системи повече от 10 години съвместно с Европейската космическа агенция и Космическата агенция на Обединеното кралство. Разработват се както пълноценни RTG, така и малки отоплителни устройства, предназначени за поддържане на топлината в районите на заледените спътници и други студени региони на Слънчевата система.

Тези източници са особено обещаващи за бавните междупланетни сонди, апаратите за изследване на подледниковите океани или инструментите, които могат да дрейфуват в междузвездната среда в продължение на векове. НАСА обмисля проекта Interstellar Probe (Междузвездна сонда) – сонда, която ще трябва да се отдалечи на около 150 милиарда километра от Земята. Подобно пътуване изисква гориво, което да стигне за поколения, а не за десетилетия. Именно тук америцият играе главната си роля.

За Европа въпросът стана още по-практичен след прекратяването на сътрудничеството с Русия в областта на радиоизотопните системи. Америциевите RTG се разглеждат като начин да се възстанови независимостта за мисиите през следващото десетилетие – включително марсохода Rosalind Franklin.

Друга важна слабост на америция е неговата ниска плътност на мощността. За да компенсират това, инженерите се връщат към една стара идея – двигателя на Стърлинг. При тази схема работният газ в затворен кръг се нагрява и охлажда, като се движи бутало, което върти електрически генератор. Това е напълно затворена система, подходяща за използване в космоса.

Конвенционалните RTG използват термоелектрически модули с ефективност около пет процента. Ефективността на конверторите на Стирлинг може да достигне до 25% и повече. Това означава, че от едно и също количество гориво може да се произведе много повече електроенергия или, обратното, че за една и съща мощност може да се използва по-малко количество радиоизотоп.

Двигателите на Стирлинг имат движещи се части и това повдига въпроси относно надеждността. Но америцият отделя топлина много равномерно и генераторът може да бъде изграден на модулен принцип – ако една част се повреди, другите ще продължат да работят. Все още не са провеждани летателни изпитания на такива системи, но наземните изпитания са в ход и резултатите изглеждат обещаващи.

От десетилетия САЩ контролират производството на плутоний-238, което дава на НАСА безспорно предимство. Другите космически агенции просто няматалтернатива. Америцзият променя този модел: той създава нов пазар и на практика нова енергийна архитектура в космоса.

В бъдеще двата изотопа вероятно ще съществуват съвместно. Плутоният е предназначен за мощните и компактни платформи. Америцият – за многогодишни и маломощни проекти, включително междузвездни проекти.

Това гориво може да бъде полезно и на Земята: например за автономните дълбоководни превозни средства, отдалечените изследователски станции или военната инфраструктура, която трябва да работи с години без поддръжка.

Изводът? Плутоний-238 е захранвал най-дългите пътувания в космическата ера – от мисиите „Аполо“ до „Касини“ и „Вояджър“. Но запасите му намаляват, а предизвикателствата, напротив, стават все по-амбициозни. Америцият не осигурява висока мощност, но може да работи в продължение на векове. В дълбокия космос, където разстоянията се измерват в поколения, дълготрайността може да се окаже най-ценното качество.