Kaip erdvėlaivis iš radioaktyvaus plutonio išgauna elektros energiją, dėl kurios gali tyrinėti Saulės sistemą?

NASA zondas „New Horizons“ Saulės sistemą tyrinėja jau 13 metų ir per visą tą laiką kuro jam papildyti nereikėjo nė karto. Tai svarbu, kadangi kosmose kuro kolonėlių aptikti nepavyktų. Šis zondas, mums jau atsiuntęs ledinės Plutono širdies nuotraukas, šiuo metu skrieja pro spurgos formos ledo kūnų žiedą, vadinamą Koiperio juosta. Čia, nuo Saulės nutolus per milijardus kilometrų, šviesa yra daugiau nei 1000 kartų blausesnė nei Žemėje, tad saulės moduliai elektros energijai išgauti nėra efektyvus pasirinkimas. Vietoje to erdvėlaivyje įrengti moksliniai instrumentai naudoja radioaktyvų kurą.

Palikdamas Žemę „New Horizons“ savo įrenginyje, vadinamame radioizotopiniu termoelektriniu generatoriumi (Radioisotope thermoelectric generator; RTG), gabenosi apytiksliai 11 kilogramų radioaktyvaus plutonio dioksido. Šis plutonis yra branduolinės baterijos, prijungtos prie termoporomis vadinamų temperatūros jutiklių, šerdis.

Kiekviena termopora turi po dvi abejuose galuose sujungtas metalines plokšteles, suformuojančias dvi sandūras. Išorinė sandūra yra atsigręžusi į kosmoso šaltį, o vidinė pritaisyta priešais skylantį branduolinį kurą. Vykstant plutonio skilimui, jis išspinduliuoja alfa daleles, taip generuodamas šilumą. Prieš paleidimą „New Horizons“ RTG sistema pasiekė svilinantį 245 laipsnių Celsijaus karštį.

Ši šiluma tarp termoporų sandūrų sukuria temperatūrų skirtumą, o tai sužadina elektros srovę. Zondo paleidimo metu su visiškai nauju kuro elementu RTG generavo 245 vatus galios, tačiau baterija puikiai darbuojasi net ir dabar, praėjus 13 metų. Kadangi generatorius neturi judančių dalių, jis niekada nenusidėvės, tad veiks net tuomet, kai visiškai išseks branduolinis kuras.

„New Horizons“ pasiekus Plutoną baterijos temperatūra nukrito iki maždaug 208 °C, tačiau įranga vis dar generuoja 190 vatų galios. To daugiau nei užtenka aprūpinti zondo mokslinius instrumentus, kurių kiekvienas naudoja vos nuo 2 iki 10 vatų.

RTG viduje

Ši kompaktiška, judančių dalių neturinti sistema elektros energiją gali generuoti dešimtmečius

Generatorius – Kiekviena termopora turi vieną karštą ir vieną šaltą sandūrą; temperatūrų skirtumas tarp jų generuoja elektros srovę.

Radiatoriaus sekcijos – Į šaltą kosmoso vakuumą išsikišusios generatoriaus išorėje esančios radiatoriaus sekcijos vėsina termoporų sandūras.

Atiduodamoji galia – Naujas modulis generuoja maždaug 250 W, tačiau senkant kurui galios išeiga sumažėja maždaug 4 W per metus.

Šildymas – Baterijos viduje esančio kuro išspinduliuojamos alfa dalelės šildo termoporų sandūras.

Saugumo priemonės – Iridžio plakiruotė neleidžia alfa dalelėms ištrūkti, o išorinis apvalkalas saugo nuo smūginių susidūrimų.

Branduolinė baterija – Čia yra laikomas plutonio-238 dioksido kuras, spinduliuojantis alfa daleles.

Plutonis-238

Tam, kad galėtų būti naudojamas, kosminis kuras privalo atitikti tris esminius kriterijus: jis turi būti saugus, negali trukdyti moksliniams instrumentams ir turi būti ilgaamžis. Pasak NASA, šiam darbui tinka vos viena cheminė medžiaga – keraminės plutonio-238 granulės. Net mažytis jų kiekis generuoja daugybę energijos, o jų pusėjimo trukmė (laikas, per kurį suskyla pusė atomų) siekia 87,7 metus.

Šio kuro šaltinio išspinduliuojamos alfa dalelės generuoja pakankamai šilumos, kad termoporos liktų šiltos dešimtmečius, tačiau jos nėra tokios skvarbios, kaip beta, gama ar neutronų spinduliuotė, o tai leidžia apsaugoti jautrius mokslinius instrumentus. Norint išgauti plutonį-238, branduolinių reaktorių viduje neptūnis-237 būna bombarduojamas neutronais.

Nors tai gali būti sudėtinga, tačiau įvykus avarijai jis išlieka kietosios būsenos, be to, nesukelia grėsmingos grandininės reakcijos, kokia vyksta atominėse elektrinėse ar branduolinėse galvutėse.