Arxiu del dijous, 1/03/2018

Plutoni per explorar l’espai profund

dijous, 1/03/2018

Ahir comentava que una de les diferències entre els rovers marcians Opportunity i Curiosity és que el primer funciona amb panells solars i el segon ho fa gràcies a una pila de Plutoni. Això implica que ambdues missions arribaran al final quan s’espatllin els panells en un cas o quan s’esgoti el combustible nuclear en el segon. Per les xarxes va sorgir el tema de quines implicacions té el fet d’enviar material radioactiu a Mart i que passa amb els residus. Un tema interessant que dona peu a entendre com funcionen les bateries nuclears que fan servir en l’exploració espacial.

La del Curiosity no és la única. De fet, les naus que van més enllà de Mart acostumen a dur aquesta mena de generadores d’energia ja que la llum del sol que hi arriba ja és massa poca com per aprofitar-la amb panells solars. Al menys amb la tecnologia actual. La solució van ser els Generadors Termoelèctrics per Radioisòtops o RTG per les seves sigles en anglès. Els senyals de les sondes Voyager encara els emeten gracies als seus generadors RTG.

Essencialment es tracta d’una bateria que produeix electricitat a partir del calor generat per un element radioactiu. Aquí cal entendre que no parlem de reaccions de fissió nuclear com en una central atòmica o una bomba nuclear. El mecanisme és diferent i força més senzill.

Els elements radioactius són aquells que per la seva composició de protons i neutrons tenen els nuclis atòmics inestables i s’acaben trencant (desintegrant) en fragments. En fer-ho alliberen, a més dels fragments de nuclis, diferents tipus de partícules. Les alfa, grans i molt contundents, les beta, que són electrons amb molta energia o les gamma, que són fotons també molt energètics.

En les centrals, hi ha reaccions de fissió. Això és que els neutrons generats quan un nucli es trenca xoquen amb altres àtoms i trenquen els seus nuclis, que aleshores generen més partícules que trenquen més àtoms que… És la coneguda “reacció en cadena” que genera una quantitat descomunal d’energia.

En els RTG, els nuclis es desintegren igual, però les partícules alfa no inicien cap trencament secundari i no hi ha cap reacció en cadena. Simplement es genera calor (a més de les partícules alfa). Un calor que es transforma en electricitat gràcies a un sistema de termoparells. Això és un procés en el que dos metalls diferents posats en contacte generen un corrent elèctric en resposta a canvis de temperatura.

De manera que tenim una pila, comparativament simple, amb una certa quantitat de material radioactiu que per la pròpia naturalesa del element emet calor. Un parell de termopars que transformen aquesta calor en electricitat i un envolcall que manté contingut el material radioactiu i, de pas, evita que surtin les radiacions a l’exterior.

El combustible que s’acostuma a fer servir en l’exploració espacial és el plutoni 238. “Plutoni” sona malament per allò de les bombes, però de nou, no ens hem de confondre. El de les bombes nuclears és plutoni 239, un isòtop diferent. Hi ha dues diferencies principals. El 238, el de les piles, emet més energia. Molta més. Peeeeero, només genera radiacions alfa i aquestes es poden aturar molt més fàcilment. Amb un contenidor que tingui un parell de mil·límetres de gruix n’hi ha prou. El problema amb l’altre, el plutoni 239 és que, a més de les alfa, també emet radiacions gamma i neutrons, i aquestes traspassen molt més i no hi ha manera de tenir-les controlades a no ser que facis contenidors extremadament gruixuts i pesants. A més, els neutrons sí que inicien reaccions en cadena.

Per tant, a l’espai es fan servir generadors de RTG de Plutoni 238 que poden funcionar durant uns quants anys abans de refredar-se prou com per deixar de generar energia. El producte residual és urani, que seguirà desintegrant-se però a ritme molt lent, de manera que la radioactivitat que generi serà molt baixa. Per tant, els residus radioactius que deixem a Mart estaran contingut dins la bateria i seran (relativament) poc preocupants. (Si voleu més detalls sobre aquests generadors, aquí ho explica de conya)

Amb aquests generadors, en realitat hi ha dos problemes. El primer és quan hi ha un accident durant el llançament. De vegades ha passat i a caigut a terra o al mar la pila amb el plutoni. Si no es trenca, no hi ha gaire problema, però alguna vegada s’ha contaminat alguna zona per aquest motiu.

L’altre problema és que hi ha poc Plutoni 238. Molt poc. La NASA només en té setze quilos. I no n’hi ha més. No és un element que es trobi a la natura sinó que cal generar-lo a partir de combustible de les centrals nuclears gastat, amb programes que ara encara no funcionen i que quan ho facin serà a ritme lent. Un quilet per any. Per sort (o per desgràcia) tampoc hi ha tantes missions espacials previstes que requereixin aquestes bateries.