Om bara några korta veckor kommer NASA:s rymdfarkost New Horizons att göra sin historiska förbiflygning av Pluto och dess månar. Solpaneler kan inte fungera i de mörka nedre områdena av det yttre solsystemet, och istället använder New Horizons något som varje rymdfarkost som hittills har vågat sig bortom Jupiter har burit i sin verktygssats: en plutoniumdriven Radioisotope Thermoelectric Generator, eller RTG.
Användningen av kärnkraft för att utforska rymden är ett av de få lyckliga kapitlen efter atomåldern, och kärnkraft kan en dag ge oss tillgång till stjärnorna.
På 1950-talet sågs atomenergi som ett universalmedel såväl som en förbannelse, ett slags Damoklesvärd som både hängde över människosläktet, samtidigt som det innehöll löftet om dess frälsning. Detta var före katastroferna i Fukushima Daiichi, Tjernobyl och Three Mile Island, som skulle tjäna till att göra allmänheten sura för allt som rör kärnkraft.
EBR-1, det första kommersiella kärnkraftverket som gick online (EBR-1), beläget i Idaho. Bildkredit: David Dickinson
Men tidiga rymdpionjärer insåg också potentialen för kärnenergi i rymdutforskning. Ett av de mer bisarra förslagen från den tidiga rymdåldern var en plan vid namn Project A119 som krävde att USA skulle detonera ett kärnvapen på månen med full utsikt över Sovjetunionen som en maktdemonstration. Ett annat intressant förslag dubbat Projekt Orion krävde konstruktionen av en interstellär rymdfarkost som skulle drivas fram av atombomber som detonerade till dess akter. Och den allra första mänskliga artefakten som sköts ut i rymden kan mycket väl ha varit en stålplåt på ett ton som av misstag drevs i hög hastighet mot himlen under kärnvapentestet Pascal B i Operation Plumbbob-serien den 27 augustith, 1957. Och USA detonerade verkligen kärnvapen i rymden innan tillkomsten av avtalet om begränsade testförbud från 1967 som senare förbjöd sådana tester. Ett fantastiskt (och, som ett barn av det kalla kriget, mycket kusligt att se) sådant test känt som Starfish Prime utfördes över södra Stilla havet 1962:
En av de första rymdfarkosterna som hade en RTG var satelliten Transit-4A som sköts upp den 29 junith, 1961. En annan liknande satellit i serien, Transit-5BN-3, förlorades kort efter uppskjutningen tillsammans med sin plutoniumdrivna RTG, som återinträdde över Indiska oceanen. Den sovjetiska satelliten Kosmos 954 gick också in igen över det kanadensiska högarktis i början av 1978 tillsammans med dess kärnreaktor ombord.
Och när Apollo 13 återvände till jorden, kastade besättningenVattumannenMånlandningsmodul över Stilla havet, där den gick in igen tillsammans med sin plutonium RTG avsedd för ALSEP-experimenten som Apollo-astronauterna placerade på månen under varje uppdrag.
Vattumannen efter separation. Bildkredit: Apollo 13/NASA
Varje uppskjutning från Cape Canaveral av en nukleär RTG kommer säkerligen att dra till sig en spridning av demonstranter, även om NASA uppskattade ett katastrofalt uppskjutningsfel som involverade ett RTG-brott under New Horizons uppskjutning vid 1-i-360. Dessa rädslor nådde ett crescendo under lanseringen av Cassini 1997, som också innehöll en förbiflygning med slangbella från jorden den 18 augustith, 1999 på väg till Saturnus.
En nukleär RTG fungerar genom att utnyttja spillvärmen som genereras av det radioaktiva sönderfallet av plutonium-238. Denna har inte bara en halveringstid på 87,7 år, utan den genererar också mycket respektabla 560 wattsekunder per kilogram per sekund. Tyvärr är de saker vi beväpnar för kärnvapenbomber en separat isotop känd som Pu-239, och den kan inte återanvändas för RTG-användning. Produktionen av plutonium-239 för kärnvapen under det kalla kriget säkerställde dock också att kapaciteten att även skapa Pu-238 för rymdfärd fanns tills produktionen avslutades i USA 1989.
En glödande pellet av Pu-238. Bildkredit: NASA/DoE
Ett upprop av RTG-utrustade rymdfarkoster läser som en 'Who's Who' för utforskning av det yttre solsystemets rymd och inkluderar: Pioneer 10 och 11, Galileo, Cassini, Mars Science Laboratory, Voyagers 1 och 2, Vikings 1 och 2, och ovannämnda New Horizons rymdfarkost på väg till Pluto.
Kul fakta: plutoniumet som driver Curiosity när det utforskar Mars köptes faktiskt av NASA från ryssarna.
En närbild av MSL:s MMRTG. Bildkredit: NASA/LBNL
När detta skrivs är Mars Rover 2020-uppdraget nästa rymdfarkost för att bryta de buttre banden som kommer att spela, som Curiosity, en plutoniumdriven MMRTG. Ett föreslaget Uranus Orbiter-uppdrag som heter HORUS (Detta står för — djupa andetag — Herschel Orbiter for Reconnaissance of the Uranus System, eftersom 'Uranus Probe' helt enkelt inte låter rätt) skulle också ha använt och RTG. Europa Clipper-uppdraget till Jupiters måne Europa som skulle lanseras runt 2025 valde solceller framför en nukleär RTG, även om den måste tränga igenom den farliga strålningsmiljön som omger Jupiter. I själva verket kommer rymdfarkosten Juno att gå in i omloppsbana runt planeten Jupiter nästa årförstJovianskt uppdrag som inte kommer att använda kärnkraft, även om det kräver tre enorma solpaneler för att kompensera.
Hur mycket plutonium NASA har till hands med tillstånd från Department of Energy klassificeras av säkerhetsskäl, men det tros räcka för ett stort och ett scout-uppdrag kvar. New Horizons innehåller 10,9 kg plutonium , och det är intressant att notera att varje utomjordisk civilisation som hittar en mänsklig rymdfarkost som kretsar runt planet för vår Vintergatans galax miljontals år sedan skulle kunna datera dess tillverkning från det radioaktiva sönderfallet av de mycket små Pu-238 kontra sönderfallsisotoper som finns kvar i dess RTG.
En närbild av New Horizons inkapslad i dess lanseringskåpa strax efter att dess RTG installerades. Bildkredit: KSC/NASA
NASA har meddelat att det amerikanska energidepartementet verkligen kommer att göra det återuppta produktionen av plutonium till cirka 1,5 till 2 kg per år med början 2016. På minussidan stoppade dock NASA utvecklingen av sin Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG) 2013. Detta är ett något motsägelsefullt beslut, som drivs mer av politik än praktiskt med tanke på den nuvarande bristen på plutonium. ASRG-konstruktionen skulle vara fyra gånger effektivare än nuvarande MMRTG (MM står för Multi-Mission) och skulle därmed ha utnyttjat mindre av det krympande lagret av befintliga Pu-238.
Tyvärr, den kvardröjande brist på plutonium kan ha en allvarlig inverkan på framtiden för utforskning av det yttre solsystemets rymd. När Cassini, New Horizons och rymdskepparna Voyager avslutar sina respektive uppdrag, kan våra 'ögon på det yttre solsystemet' mörkna, eftersom den nuvarande gyllene eran av planetutforskning närmar sig sitt slut för nu, eller åtminstone väntar på en ny generation av plutoniumdrivna rymdfarkoster för att ta upp manteln.
