Thread by @malyvedec

Perseverance - sonda s batohem plným plutonia.

Jako chemikovi se slabostí pro aktinoidy mi to nedalo a podíval jsem se, jak vědci z NASA vyřešili napájení tohoto úžasného stroje. (Delší🧵)

Nová sonda Perseverance, která přistála předevčírem na Marsu není malá hračka na dálkové ovládání. Její velikost lehce překračuje Škodu Fabii a tomu odpovídá její hmotnost 1025 kg. Rozpohybovat podobný stroj a uživit jeho hladové přístroje je mimo schopnosti solárních panelů.

Stejně jako její starší sourozenec Curiosity je proto vybavena MMRTG. Pod touto nevyslovitelnou zkratkou se skrývá 45kg válec, který obsahuje téměř 5 kg radioaktivního plutonia. Přesněji se jedná o 32 kusů 150 g peletek oxidu plutoničitého potažených čistým iridiem.

Iridium zabraňuje průniku vznikajících alfa-částic a zároveň slouží díky teplotě tání kolem 2400 °C možnému uvolnění plutonia do okolí pokud by selhal chladicí systém. Díky uložení v grafitové kapsli v obalu z uhlíkových vláken má být schopen odolat i havárii při startu.

Pro výrobu tablet (obrázek) je použit přečištěný izotop plutonia 238 s krátkým poločasem 87,7 let. Je to téměř čistý alfa-zářič a energie proto vzniká prakticky jen ve formě čistého tepla. Tepelný výkon tohoto článku je tak přibližně 2000 W. Tedy jako běžná rychlovarná konvice.

Vznikající teplo je přeměňováno termoelektrickým článkem na přibližně 110 W elektrické energie. Článek využívá rozdílu teplot uvnitř, kde má přístroj kolem 520 °C a na povrchu chladičů (křidýlka na obrázku), které se mohou vyhřát podle marsovského ročního období až na 185 °C.

Ze zbylých 1900 W jde část na vyhřívání vnitřku sondy a zbytek odchází do okolí. Získaný proud je určen k napájení baterií. Sondy jsou totiž pořádní jedlíci. Údaj o spotřebě Percyho se mi dohledat nepovedlo, ale její 14 % lehčí předchůdce Curiosity odebírala za jízdy až 500 W.

O tyto zvýšené nároky se proto stará balík dvou lithium iontových baterií o váze 25,6 kg a kapacitě 43 Ah. Výkon RTG je lehce předimenzovaný, kvůli úbytku plutonia rozpadem a degradaci termoelektrických článků. Zdroj tedy ztrácí každých 80 dní přibližně 1 W ze svého výkonu.

Plutonium 238 (asi naštěstí) neroste jen tak na stromech. Jeho získávání pro pohon sond je ve skutečnosti docela velký oříšek. Na rozdíl od těžšího příbuzného Pu 239 se Pu 238 nehodí na výrobu atomových bomb, což mimo jiné znamená, že jeho světové zásoby nejsou kdoví jak velké.

V 60. letech se uvažovalo o jeho možném využití k pohánění pacemakerů. Nakonec z toho však sešlo z důvodu hrozícího rizika kremace budoucího nebožtíka i s plutoniem v těle.

Převážná civilní aplikace se proto omezuje na vytápění vesmírných sond pro lety daleko od Slunce (Pioneer, Voyager, New Horizons...) a vojenské projekty. Pu 238 prakticky nelze získat ani z vyhořelého paliva jaderných reaktorů. Je potřeba ho tedy cíleně vyrábět z neptunia 237.

Výroba je náročná finančně i časově (3-4 roky) a není proto divu, že Američané jeho produkci ukončili v roce 1988. Většina plutonia pro sondy tedy pochází z 16,5 kg Pu 238 odkoupeného od Rusů. I těm se však zásoby tenčí a v minulých letech se proto začalo urgentně řešit, co dál.

NASA má zásoby už jen na 3 další sondy a staré výrobní postupy nelze obnovit, protože velké reaktory ze Studené války již nejsou v provozu. Připravuje se proto nová automatizovaná výroba v Oak Ridge, která má vyrábět od r 2025 až 1,5 kg plutonia ročně. businessinsider.com/nasa-plutonium…

Asi vás proto nepřekvapí, že cena jen za samotné MMRTG je 75 milionů USD. Jedná se však o dobrou investici, protože pokud nedojde k nějaké poruše, měl by tento zdroj vydržet zásobovat sondu dostatkem energie k přežití po dobu alespoň 15 let. (Králíček Duracell by zbledl závistí.)

@Chmee2 Trocha těch technických hraček, co geology vlastně moc nezajímají ;)

P.S. Velká omluva za všechny špatně umístěné čárky a chybějící slova. Přísahám, že když jsem to posílal, bylo to všechno úplně v pořádku. ;)

Bonus na vyžádání: Perseverance není žádný rychlík. Překonat délku fotbalového hřiště jí proto i za ideálních podmínek potrvá 41 minut.