Voyager deluje 37 let daleč od Sonca, zakaj ne more Philae?

Končal se je vrhunec misije Rosetta, ki jo je predstavljal pristanek robota Philae na površju kometa Čurjumov-Gerasimenko in nekajdnevna analiza njegove sestave. V soboto ob 1.36 uri so se baterije na robotu toliko izpraznile, da je šel v hibernacijo, iz katere se verjetno ne bo več zbudil. Evropska vesoljska agencija (ESA), ki je pripravila in vodila misijo, je že od samega začetka načrtovala, da bo Philae na baterijski pogon deloval le nekaj dni, zato so uspeli izpolniti večino raziskovalnih ciljev. Odgovor na vprašanje iz naslova pa je žal -- fizika in politika.

Da bi se Philae ponovno zbudil, bi morala na njegove panele sončnih celic pasti dovolj močna svetloba. Ni prav verjetno, da bi se to zgodilo, čeprav komet leti proti Soncu. Pristajanje na kometih s polurnim zamikom (koliko potrebujejo radijski valovi do Philae) pač ni zelo eksaktno početje.

Ko je Philae pristal, se je predstavnik ESA pri poročanju o dosežku pošalil, da je bržkone pristal kar dvakrat, ker se je prvikrat nekoliko odbil. Izkazalo se je, da je imel še kako prav. Philae je pristal kar trikrat (v četrtek ob 16.34, ob 18.25 in 18.32), vmes pa prepotoval dober kilometer. Problem so bili nedelujoči potisniki in zatajitev harpun, ki bi se morale sprožiti in robota trdno pričvrstiti na površino. Philae se je odbil od kometa, na katerem je ubežna hitrost samo pol metra na sekundo (!), a je k sreči ostal v njegovem gravitacijskem polju in pristal dober kilometer stran od načrtovanega mesta pristanka. Philae je pristal v senci mogočnega klifa, zato dobiva zelo malo sončne svetlobe (detajli o sončnih celicah). ESA ga je uspela malo obrniti, a to bržčas ne bo kaj dosti pomagalo. Ker je bil šibko pritrjen na površino, so imeli pri ESA pomisleke, ali izvesti del misije, ki obsega vrtanje v komet, da slučajno ne bi Philae odneslo.

Če se ob tem vprašate, kako neki Voyagerja 37 let po izstrelitvi onkraj Sončnega sistema še vedno delujeta in pošiljata podatke na Zemljo, niste edini, a seveda je tudi ESA pomislila na to. Voyagerja energijo pridobivata iz termoelektričnih generatorjev na radioizotope (RTG), ki toplotno energijo zaradi radioaktivnega razpada jeder pretvarjata v električno energijo. RTG-ji imajo nizke izkoristke (tam okrog 3-10 odstotkov), ker gre v osnovni za sofisticiran toplotni stroj, ki mu povrhu vsega izkoristek eksponentno pada; hitrost je odvisna od razpolovnega časa radionuklidov.

Philae tehta dobrih 100 kilogramov in ne more imeti RTG, ne da bi ga konkretno predelali in predvsem povečali. Voyagerja sta bila osemkrat težja, od tega je šlo za posamezen RTG 37 kilogramov. Ni veliko, a ne pozabimo, da je Voyagerjev RTG dal od sebe približno 2,4 kW toplote in ker je imel vsak tri, so dobili 470 W uporabne električne energije. Torej 470 W za 100 kilogramov mase. Celoten Philae tehta 100 kilogramov!

Drugi problem je tudi gorivo. RTG-ji skoraj brez izjeme uporabljajo plutonij-238, ker ima primerno dolgo razpolovno dobo. Predolga doba in razpadov je tako malo, da bi bila masa goriva prevelika; prekratka in RTG se hitro iztroši. Plutonij-238 ima idealno razpolovno dobo 87,7 let in dá na začetku od sebe 500 W toplote na kilogram, zato je ravno pravšnji (iz plutonija-238 ni mogoče izdelati atomske bombe, za to potrebujemo plutonij-239). Poleg tega pa skoraj vse sevanje odda v obliki alfa delcev, zelo malo pa kot bistveno bolj škodljivo beta in gama sevanje. Recimo rover Curiosity, ki vozi po Marsu, ima 4 kilograme plutonija-238, kar mu daje 100 W električne energije. Praktično vsa plovila, ki vozijo po oddaljenih delih Osončja, uporabljajo RTG s plutonijem-238.

Plutonija-238 praktično ni več! Rudarjenje radioaktivnih elementov s kratkim razpolovnim časom je mogoče le, če so produkt v verigi razpada elementov z bistveno daljšo razpolovno dobo in plutonija-238 v naravi ni. V ZDA so plutonij-238 proizvajali do leta 1988, potem pa je bilo hladne vojne konec in Savannah River Site so zaprli, plutonij pa začeli naročati od Rusov. V teh letih so od Rusov naročili 16 kilogramov plutonija-238, a tudi Rusija nima več aktivne proizvodnje. Šele lani so v ZDA začeli spet proizvajati plutonij-238 in to 1,5 kilograma letno, celotna zaloga za ZDA pa znaša 40 kilogramov! Večino sicer porabi ministrstvo za obrambo, NASA pa ima rezerviranih približno 15 kilogramov, ki so že razporejeni in niso naprodaj. Tudi to ne bo trajalo dolgo, saj so zaloge na Zemlji skorajda izčrpane. (Študija za NASA o možnostih proizvodnje.)

Zato se iščejo alternative, kjer je privlačen americij-241, ki ima daljšo razpolovno dobo, a da manj toplote na kilogram in izseva več nevtronov, ki so škodljivi za ljudi. Prave zamenjave še ni na vidiku.

Proizvodnja plutonija-238 poteka z obsevanjem neptunija-237, ki ga dobijo iz izrabljenega jedrskega goriva pri predelavi. Neptunij-237 zajame nevtron in nastane neptunij-238, ki ima razpolovno dobo 2,1 dneva, ko z beta razpadom nastane plutonij-238. Obsevanje traja zelo dolgo, več mesecev ali let, pri čemer okrog 85 odstotkov nastalega plutonija-238 sicer razpade, preostanek pa ločijo z raztapljanjem radioaktivne gošče v koncentrirani dušikovi kislini. Poleg plutonija-238 nastane cel kup drugih radioaktivnih elementov, zato je postopek umazan, drag in okoljsko problematičen, zato se razvijajo novi, a fizike ne bo mogoče premagati. Plutonija-238 ne bo nikoli prav zelo veliko in nikoli ne bo poceni. NASA ocenjuje, da ga bodo do leta 2020 uspeli pridelati do 5 kilogramov letno, kar bo stalo 20 milijonov dolarjev.

Da so navedene številke za ZDA in Rusijo, ni naključje. To sta državi, ki ima popoln monopol nad proizvodnjo in porabo plutonija-238. V Evropi RTG-ji sploh niso razviti (spodnji videoposnetek ob 50:10), zlasti zaradi političnih in varnostnih razlogov. Proizvodnja in rokovanje s plutonijem je nevarno početje, ki terja drage varnostne protokole, hkrati pa v Evropi ni politično sprejemljivo. V preteklosti so se dogajale nesreče vesoljskih plovil, ki so na Zemlji nekoliko povečale radioaktivno obremenitev. Globalno sicer zanemarljivo, lokalno pa niti ne. RTG-ji so danes sicer varnejši, saj je gorivo v izjemno inertni obliki keramičnega plutonijevega oksida in dobro zaščiteno ter predvsem razdeljeno v manjše kose.

To so razlogi, da je bil Philae obsojen na baterije in sončne celice, ki so mu naklonile dva dni delovanja. Rosetta pa seveda ostaja aktivna v orbiti okrog kometa in bo delovala vsaj do aprila, upajo da, da bo preživela vožnjo okrog Sonca, ki se mu bo komet najbolj približal avgusta.