NASA использует радиоизотопные энергетические системы с ядерными батареями с начала 1960-х годов для обеспечения энергией таких миссий, как «Вояджер», «Новые горизонты», «Кьюриосити» и, совсем недавно, «Персеверанс». (Квадрокоптер «Дрэгонфлай», предназначенный для исследования метановых озёр и морей на спутнике Сатурна Титане, также будет использовать подобную энергию) Радиоизотопы — это нестабильные формы элементов, которые могут восстановить стабильность только путём распада, и именно распад радиоизотопов генерирует тепло, которое поддерживает работу батареи.
Теперь NASA намеревается пойти ещё дальше. Космическое агентство десятилетиями использовало плутоний-238, или оксид плутония, в качестве топлива. Период полураспада этого изотопа — время, необходимое для снижения радиоактивности изотопа до половины от исходного уровня — составляет почти 88 лет. Однако сейчас для будущих миссий рассматривается изотоп америций-241. С периодом полураспада почти 433 года он действует на несколько столетий дольше, чем плутоний-238, и может позволить космическим аппаратам продвигаться гораздо дальше в неизвестность.
Радиоизотопы должны соответствовать строгим критериям NASA, чтобы быть допущенными к использованию в миссиях. Во-первых, в любой форме они должны быть нетоксичными (или минимально токсичными) для организма и нерастворимыми, чтобы не всасываться организмом. Поэтому топливо обычно заключают в керамику, и вместо того, чтобы испаряться, оно разбивается на крупные фрагменты, которые не поглощаются организмом. Кроме того, приборы космических аппаратов также должны быть в безопасности, поэтому любые радиоизотопы, используемые в батареях, должны иметь достаточно длительный период полураспада, оставаться стабильными при высоких температурах и требовать лишь небольшого количества для генерации теплового взрыва. Это позволяет им поддерживать работу орбитальных аппаратов, вездеходов и космических телескопов в течение десятилетий.
До сих пор под эти требования подходил только плутоний-238. Но в январе этого года Исследовательский центр НАСА имени Гленна (Glenn) и Университет Лестера в Великобритании объединили свои усилия и договорились о тестировании америция-241. Они также изучают оптимальный метод выработки электроэнергии из этого радиоактивного топлива — вместо системы, которая может питать космический корабль только с помощью коленчатого вала, конвертер Стирлинга со свободным поршнем позволяет поршням плавать внутри двигателя в условиях микрогравитации (NASA использует их уже много лет). В 2020 году конвертер в Гленне, работающий на RPS, достиг 14 лет безотказной работы.
«Эта новая веха имеет особое значение», — заявил в то время в пресс-релизе Уэйн Вонг, руководитель отдела преобразования тепловой энергии Гленна. «Предыдущие лётные проекты определили, что требуемая продолжительность миссии для радиоизотопной батареи составляет 14 лет, особенно для миссий к внешним планетам с длительным временем полёта».
Перед 2011 годом производство плутония-238 было приостановлено на 30 лет, пока НАСА не получило государственное финансирование для поддержки Управления по ядерной энергии Министерства энергетики с целью возобновления производства для космических миссий. В настоящее время изотоп производится в Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL), Айдахоской национальной лаборатории (INL) и нескольких других учреждениях. В Лос-Аламосской национальной лаборатории в настоящее время ведётся работа по улучшению эффективности и безопасности процесса производства америция-241.
Источник: habr.com