U oktobru 1997. nekoliko udruženja za zaštitu čovekove okoline se usprotivilo lansiranju sonde 'Cassini' namenjene izučavanju Saturna. Razlog protesta je bio sondin radioizotopski termoelektrični generator (RTG) – zapravo ih je imao tri, tipa GPHS-RTG – uređaj koji proizvodi električnu energiju iz toplote proizvedene raspadom plutonijuma-238. Ekolozi su se plašili da bi plutonijum mogao da kontaminira široko područje obale Floride ukoliko bi raketa 'Titan IV' eksplodirala tokom lansiranja. NASA je morala da se suoči sa kritikom podsećajući da su RTG-ovi dizajnirani tako da prežive eksploziju i da nema rizika. Ali u kojoj meri je to bilo tačno?
Ostaci RTG-a tipa SNAP-19B2 koji se nalazio u satelitu 'Nimbus B1' na dnu Tihog okeana. Možemo da vidimo središnji cilindar u kojem su bile pohranjene plutonijumske kapsule.
Tokom kosmičkog doba, SAD su pokrenule 31 kosmičku misiju opremljenu RTG-ovima ili RHU-ovima[1]– RHU su radioaktivni grejači u kojima se toplota izotopskog raspada ne koristi za proizvodnju električne energije, već isključivo za zagrevanje kritičnih delova letilica. Sa svoje strane, Sovjetski Savez i Rusija su lansirali 6 misija sa RTG-ovima ili RHU-ovima (SSSR je takođe lansirao i 34 nuklearna reaktora[2], ali to je sistem za proizvodnju električne struje vrlo različit od RTG-a). Kina je postala treća zemlja koja je pokrenula RTG misije – sonde 'Chang'e 3' i 'Chang'e 4' – iako su generatori zapravo ruske proizvodnje[3]. Sada je pitanje: jesu li sva ta lansiranja prošla uspešno? Pa, nisu. I doista, neki RTG-ovi i RHU-ovi sa radioaktivnim izotopima pali su natrag na Zemlju.
'Tranzit 5BN-3' se raspao u atmosferi, zajedno sa svojim RTG-om tipa SNAP-9A (NASA).
Prva ozbiljnija kosmička RTG nesreća dogodila se 21. aprila 1964. godine, kada je raketa 'Thor-DSV2A Able-Star', koja je nosila treći navigacioni satelit 'Transit-5BN-3'[4], upala u problem sa dodatnim stepenom nakon što je poletela iz vojne baze Vandenberg u Kaliforniji. Kao rezultat toga, satelit je ušao u suborbitnu putanju, a RTG tipa SNAP-9A se raspao u atmosferi na oko 50 kilometara visine, oslobodivši sav plutonijum-238 iz svoje unutrašnjosti. Budući da se incident dogodio nad okeanom i zahvaljujući visini na kojoj se dogodio, količina radioaktivnog materijala koja je dospela do stanovništva je bila zanemariva. Međutim, strah je bio ogroman, pa je odlučeno da se dizajn RTG-ova promeni kako bi preživeli atmosfersku eksploziju ili reentri ako bi se ponovilo nešto slično. I naravno, kao što to biva, to se opet dogodilo. Četiri godine kasnije. 18. maja 1968. lansiran je prvi primerak iz serije meteoroloških satelita 'Nimbus B' – 'Nimbus B1' – no samo minut nakon što je lansirana iz Vandenberga raketa 'Thorad-SLV2G Agena-D' je skrenula s putanje, pa ju je zemaljska kontrola uništila kako bi sprečila pad na neko naseljeno područje. Satelit i njegov teret su potonuli u okean.
SNAP-9A, tip RTG-a.
'Nimbus B' je bio opremljen sa dva RTG-a tipa SNAP-19B2 (SNAP, Systems for Nuclear Auxiliary Power). Obe jedinice su bile konstruisane za izbegavanje nesreće poput one 'Tranzita 5BN-3', tako da se nisu raspale već su pale relativno netaknute u okean. No iznenađenje je usledilo kasnije. Zona u koju su potonuli nije bila osobito duboka, te je NASA odlučila da izvuče RTG-ove. Razlog je bio s jedne strane kako bi se izbeglo moguće zagađenje u slučaju da slana voda na kraju nagrize strukturu glavnog kućišta, ali glavni razlog je bio ekonomski: plutonijum-238 je izuzetno skup izotop i može da se koristi jedino za RTG i RHU (militantni plutonijum za nuklearno oružje ne koristi ovaj izotop). Potraga nije bila laka i tek 9. oktobra, gotovo pet meseci posle lansiranja, vojna podmornica je locirala par RTG-a.
Satelit 'Nimbus B' sa RTG SNAP-19 (NASA).
RTG tipa SNAP-19 poput onog na satelitu 'Nimbus B' (NASA)
Ronilac je za vreme RTG operacija pretraživanja 'Nimbusa B'.
Incident 'Nimbusa B1' je bio prvi u kojem je jedan RTG pao u oušn, ali nije bio posljednji. U aprilu 1970. misija 'Apollo 13' pretrpela je, dok je bila u blizini Meseca, eksploziju tanka sa kiseonikom broj 2 servisnog modula. Posada, koju su činili Jim Lovell, Jack Swigert i Fred Haise, jedva se spasila koristeći lunarni modul 'Aquarius' (LM-7) kao čamac za spašavanje. Lunarni modul se vratio na Zemlju nakon što je napravio krug oko Meseca i raspadao se u Zemljinoj atmosferi. Na brodu se naqlazio RTG tipa SNAP-27, namenjen pokretanju ASLEP naučnih instrumenata misije. RTG je ušao u atmosferu zajedno s ostatkom broda i trenutno se nalazi negde na dnu Južnog Pacifika u blizini Tonga Trencha, na više od dva kilometra dubine.
'Apollov' astronaut menja plutonijum-238 u RTG-u ASLEP-a na lunarnom modulu.
SNAP-27 (desno) sa kontejnerom opremljenim 'perajama' za hlađenje (levo).
Lunarni modul 'Aquarius' 'Apolla 13' kratko pred reentrija u atmosferu zajedno sa SNAP-27.
Još jedan sličan incident dogodio se 16. novembra 1996. godine, kada se sovjetska sonda 'Mars-96'('Mars-8') raspala u atmosferi zbog kvara rakete 'Proton-K'/'Blok-D2'. Ostaci broda su pali na područje veličine 320×80 km koje je obuhvatalo delove Tihog okeana, Čilea i Bolivije. 'Mars 96' je nosio 4 mala RTG-a tipa 'Angel', takođe bazirana na plutonijumu-238, svaki težak pola kilograma[5]. Ostaci RTG-ova, osmišljeni da pokreću dve sletne sonde koje su bile u sastavu misije, nikada nisu pronađeni.
Zanimljivo je da je ista takva raketa bila takođe uzrok još jedne slične nesreće, ali koja se dogodila mnogo ranije. 19. februara 1969. 'Proton' lansiran sa kosmodroma Bajkonur poleteo je sa prvom kopijom 'Lunohoda' (E-8 №201) kako bi istraživao Mesec. Raketa se raspala 51. sekundu nakon čega je olupina pala u kazahstansku stepu. 'Lunohod' nije imao RTG, ali je imao RHU na bazi polonijuma-210, čiji se sadržaj prosuo po čitavom području. Nazvan V3-R70-4, ovaj RHU je trebao da omogući vozilu da preživi Mesečevu noć bez smrzavanja. Srećom, poluživot ovog izotopa (138 dana) omogućio je da trenutno nema nikakvih tragova kontaminacije (s druge strane, poluživot plutonijuma-238 je 88 godina).
Kosmička sonda 'Mars-96'.
Mini-RTG 'Angel' sovjetske Marsove sonde 'Mars-96'.
Prvi 'Lunohod' na svom sletnom stepenu. Lepo se vide termozaštićeni elementi obe letilice.
Sovjetski RTG/RHU sa polonijumom-210 koji su korišćeni na 'Lunohodu'.
Mogli bismo da pomislimo da su ostali RTG-ovi i RHU-ovi korišćeni za sonde koje su istraživale Sunčev sistem, te danam stoga nisu predstavljali izvor problema. Ali ne. Neki sateliti u zemaljskoj orbiti su bili opremljeni RTG-ovima. Konkretno, 8 američkih i 2 sovjetska satelita s RTG-ovima još uvek su u orbiti. Na američkoj strani to su 'Transit 4B', koji je 29. juna 1961. postao prvi satelit opremljen RTG-om (SNAP-3), 'Transit 4B', 'Transit 5BN-1 i 5BN-2' (oba opremljena SNAP-9A), 'Nimbus 3' (SNAP-19) i 'Triad-1'. Sjedinjene Države su takođe 1976. lansirale eksperimentalne satelite LES-8 i LES-9, svaki opremljen s dva MHW-RTG-a (slična 'Voyagerovim' RTG-ovima), no budući da su u geostacionarnoj orbiti, najverovatnije je da će u vrlo dalekoj budućnosti završiti u eliptičnoj solarnoj orbiti.
SSSR je svoje prve RTG-ove lansirao 1965. godine na dva navigacijska satelita 'Strela-1' ('Kosmos 84' i 'Kosmos 90'), koji su bili opremljeni RTG-ovima utemeljenim na RTG-ovima sa polonijumom-210. Svi se ti sateliti nalaze na relativno visokim orbitama, na preko 700 km (većina preko hiljadu kilometara), pa će biti potrebne decenije ili stoleća za reentri (precizan datum zavisiće od orbita i solarnoj aktivnosti).
'Tranzit 4A' je bio prvi satelit koji je u junu 1961. bio opremljen RTG-on.
SNAP-3, prvi RTG koji je odleteo u kosmos.
Kao što sam pomenuo, Sovjetski Savez je takođe lansirao 34 broda koja su bila opremljena sa fisionim nuklearnim reaktorima. Međutim, ova se tehnologija radikalno razlikuje od tehnologije RTG-a. Jedna od najupečatljivijih razlika je u tome što je kontaminacija RTG-ovima ravna nuli zbog prisutnosti radioaktivnih izotopa. Nasuprot tome, reaktori su bezopasni tokom lansiranja jer se aktiviraju tek u orbiti. Naravno, nakon toga, opasnost od njih je veća zbog velike količine fisionog materijala koji nose u odnosu na RTG. Između 1970. i 1988. SSSR je lansirao 32 reaktora tipa 'Buk' (БЭС-5), svaki sa 30 kg uranijuma-235 na brodu, kao izvor električne energije za satelite 'US-A' (rus. УС-А, 'Управляемый Спутник Активный'; nа zapadu poznati kao RORSAT), namenjene za radarsko otkrivanjem brodova američke mornarice. Takođe, 1987. su lansirana dva eksperimentalna broda 'Plazma-A' s reaktorima 'TOPAZ' (ТЭУ-5 'Тополь'), svaki sa 'samo' 11,5 kg obogaćenog urana. Radi poređenja, MMRTG na NASA-inom Marsovom roveru 'Perseverance' koristi 4,8 kg plutonijumovog dioksida. Sovjetski reaktori 'Buk' su prouzročili tri u to vreme vrlo poznate nesreće ponovno ulazeći u atmosferu nekontrolisano, iako je najpoznatiji bio 'A-15' ('Kosmos 954'), koji je pao na severu Kanade 1978. kontaminirajući veliko područje (olupine reaktora 'Kosmosa 556' i 'Kosmosa 1402' završile su u okeanu.) Zbog toga su naredni sateliti 'US-A' i 'Plazma-A' su bili opremljeni mehanizmom za izbacivanje reaktora u višu orbitu nakon kraja njihovog radnog vijeka. Ovim starim sovjetskim reaktorima moram da dodam američki reaktor SNAP-10A na satelitu 'SNAPshot'. SNAP-10A, sa 4,5 kg urana-235, jedini je nuklearni reaktor za koji se zna da su SAD lansirale u svemir. I da, doista, to znači da trenutno u orbiti imamo 32 nuklearna reaktora. Srećom, neće ući u atmosferu jpš nekoliko stoleća, pa naši potomci imaju dovoljno vremena da odluče što će s njima.
Američki reaktor SNAP-10A je prvi put pokretao jonski motor. Prestao je da radi posle 43 dana.
Sovjetski brzi reaktor 'Buk' (БЭС-5) proizveden u moskovskom institutu 'Krasnaja Zvezda'. 1: nuklearni reaktor; 2: cev rashladnog tečnog metala (NaK); 3: štit od zračenja; 4: spremnik za tečni metal; 5: radijator; 6: termoelektrični generator TEG; 7: nosači. ('Novosti Kosmonavtiki' / Kurčatovljev institut).
Ali da se vratimo na MMRTG-ove (Multi-Mission Radioizotope Thermoelectric Generator) koje NASA trenutno koristi, jer su to vrlo sigurni mehanizmi. Sa ukupnom težinom od 43,6 kg, svaki MMRTG može da osigura 110 vata električne energije od ukupno 1980 vati toplote i napona od 30 volti. Svaki nosi 4,8 kg plutonijumovog dioksida, od čega je 3,58 kg čisti plutonijum-238 (ostatak su ostali izotopi). Plutonijum-dioksid se nalazi u 32 iridijumske kapsule otporne na koroziju, koje takođe mogu da izdrže eksploziju i temperaturu do 2400°C. Kapsule su pohranjene dve po dve u cilindričnim kontejnerima s grafitnim poklopcem nazvanim GIS(Graphite Impact Shell). Dva ova cilindra s ukupno četiri kapsule umetnuta su u grafitni blok koji se zove GPHS (General Purpose Heat Source). MMRTG nosi osam GPHS-a i svaki je sposoban da preživi reentri velikom brzinom i snažni udar. Jedina nacija koja trenutno proizvodi RTG osim SAD-a je Rusija. Konstrukcija RTG-ova – na ruskom, RITEG (РИТЭГ) – koji se koriste na kineskim sondama 'Chang'e 3 i 4', nije objavljena, ali se veruje da su slični onima koji će se koristiti u budućim misijama 'Roskosmosa' na Mesec. Ti su RTG-ovi manji od Nasinih MMRTG-a, sa termalnom snagom od 125-145 vata i 6,5 W električne energije (mogu generirati napon od oko 3 volte). Sledeći RTG koji će da poleti u svemir biće na roveru 'Perseverance' ovog leta. Nadamo se da neće biti potrebno proveravati njegovu pouzdanost u slučaju nesreće tokom lansiranja.
Delovi GPHS modula iz RTG-a. Svaki je težak oko 1,44 kg odmah po montaži proizvodi temperaturu od oko 600ºC. Ovakvi moduli se nalaze u sondama 'New Horizons' i 'Cassini' i u roveru 'Curiosity'. Nalaze primenu i u naprednim Stirlingovim radioizotopskim generatorima.
Nasin MMRTG. Proizvodi ih Ministarstvo energetike i proizvode oko 2,8 W/kg.
[1]. Naivan kakav jesam, oduvek sam mislio da je nuklearna energija jako zgodna za istraživanje kosmosa, te me je tema njenog korišćenja oduvek interesovala. Zato sam do sada napisao makar desetak interesantnih tekstova na ovu temu. Ako te interesuje, pogledaj ovde, ovde, ovde, ovde itd. ali ima još mnogo. Iz nekog jezivog razloga, nuklearna energija je interesantnija za korišćenje (destrukciju) ovde na Zemlji nego za napajanje raketa i sondi u kosmosu.
[2] Ovo sam i zaboravio, ali ima još.
[4] Bio je 41 satelit porodice 'Transit' (NAVSAT). Služili su za navigaciju podmorničkih nuklearnih raketa 'Polaris'. Bili su prvi u mnogim oblastima: 'Transit 3B' je demonstrirao programiranje brodskog računara u orbiti, a 'Transit 4A' (1961) je bio prvi koji je imao RTG (SNAP-3). On je bio oštećen i nenamerno uništen u nuklearnoj exploziji tokom testova 1962.
[5] U knjizi o ovoj misiji sam naveo sledeće: '... Na svakom lenderu i na svakom penetratoru su se nalazili generatori koji su koristili plutonijum-238. Na stanici se nalazilo ukupno 270 gr. plutonijumovog oksida. Na svakom lenderu su se nalazile 4 kapsule sa po 15 gr. izotopa (dve za napajanje, dve za grejanje), a na svakom penetratoru 5 kapsula (dve za napajanje, tri za grejanje). Aktivnost svake kapsule – 270 kirija. Posle pada letilice, Amerikanci su pokrenuli paničnu priču o trovanju Australije ruskim radioaktivnim otpadom. Pesimistička procena je bila da bi statistički od raka moglo da umre 150-550 ljudi. Ništa od svega nije bilo tačno, jer su kapsule napravljene tako da mogu da izdrže i do 3000 stepeni.'
