Mars Mission kan vara Curtain Call för Plutonium-driven rymdfarkoster
Konstnärens koncept innehåller NASA: s Mars Science Laboratory Curiosity -rover, en mobil robot för att undersöka Mars tidigare eller nuvarande förmåga att upprätthålla mikrobiellt liv. Nyfikenhet kommer att lanseras mot den röda planeten den 26 november 2011. (Bildkredit: NASA/JPL-Caltech)
NASA: s nyaste Mars -rover, Curiosity, är en i en lång rad rymdfarkoster som drivs av det radioaktiva elementet plutonium. Men med att denna kemikalie snabbt blir knapp, kan det vara den sista, forskare oroar sig.
Curiosity är planerad att starta lördag (26 november) på ett banbrytande uppdrag till den röda planeten. När bilstorleken når Mars-ytan nästa augusti kommer den att drivas med en speciell typ av elementet, kallat plutonium-238.
I 50 år har NASA använt plutonium-238 som bränslekälla för obemannade rymdfarkoster för att studera planeter och andra föremål i det yttre solsystemet, men lager av detta material håller på att torka.
Utan ytterligare lagringar av detta bränsle är byråns förmåga att bedriva framtida planetvetenskap i fara. Det är något USA helt enkelt inte har råd med, säger forskare.
'Det är som att ha en bil och ingen bensin i bilen', säger Ralph McNutt, planetvetare vid Johns Hopkins University's Applied Physics Laboratory och projektforskare för NASA: s Messenger -uppdrag till Merkurius. 'Utvecklingen av detta kraftsystem har skett i USA under fem decennier, och vi är på väg att slänga allt.'
År 2009 var McNutt ordförande för en kommitté för nationella forskningsråd (NRC) som undersökte frågan om minskande plutonium-238. På begäran av NASA och kongressen studerade kommittén hur bristen skulle påverka framtida planetvetenskapliga uppdrag, och tittade också på tillgängliga alternativ för att lösa problemet. [ Video: Nya Mars Rover Drivs av Plutonium ]
NRC-rapporten släpptes i maj 2009 och uppgav att plutonium-238 har varit och kommer att fortsätta att vara 'viktigt för det amerikanska rymdvetenskapsprogrammet.' Kommittémedlemmarna rekommenderade att den inhemska produktionen av materialet startades om för att upprätthålla NASA: s planetvetenskapliga program och för att undvika förseningar eller till och med avbokningar av framtida uppdrag.
När fynden presenterades kallade McNutt och hans kollegor det 'en dag för räkning', eftersom landet, och faktiskt världen, var farligt nära att helt ta slut på plutonium-238.
Det var nästan tre år sedan och tyvärr har inte mycket förändrats sedan dess.
Svävar nära kanten
'Då var det väldigt allvarligt, och det är fortfarande en mycket allvarlig situation', säger Jim Adams, NASA: s biträdande chef för planetvetenskap, till guesswhozoo.com. 'Det är ett tillräckligt stort problem att vi har arbetat konsekvent med det nu under de senaste tre åren.'
Plutonium-238 , som är annorlunda än den typ av plutonium som används i kärnvapen, avger värme som omvandlas till elektricitet. Materialet har varit särskilt användbart på uppdrag som ger sig in i det yttre solsystemet, där det knappa solljuset inte effektivt kan utnyttjas med hjälp av solpaneler.
Några av de mest produktiva robotfartygen har drivits med plutonium-238, inklusive de dubbla Voyager-sonderna som lanserades 1977 för att undersöka Jupiter och Saturnus. De fasta sonderna fungerar fortfarande i utkanten av solsystemet, och i mer än 30 år har de i hög grad bidragit till vår förståelse av de yttre planeterna. [Vårt solsystem: En fotorunda av planeterna]
Andra rymdfarkoster som drivs med plutonium-238 inkluderar Galileo-sonden som kretsade kring Jupiter, rymdskeppet Cassini som för närvarande studerar Saturnus och dess månar och rymdfarkosten New Horizons som är på väg till Pluto.
'Vi skulle inte ha 99,9 procent av vår kunskap om de yttre planeterna och deras system utan plutonium-238', säger McNutt. 'Det är bara en enorm mängd som inte kunde ha gjorts. Om vi ska fortsätta göra den typ av framsteg som rymdgemenskapen skulle vilja göra och den typ av framsteg som NASA tar ledarskap i, kan vi inte göra det utan denna strömförsörjning. Utan det kommer allt detta att vara förgäves. '
Konstnärens koncept för NASA: s Cassini -rymdfarkoster vid Saturnus.(Bildkredit: NASA/JPL)
Det amerikanska energidepartementet (DOE) har försett NASA med plutonium-238 till bränslekraftsystem, kallade radioisotop-termoelektriska generatorer (RTG), på rymdfarkoster sedan 1961. Under en tid har materialet också köpts från Ryssland, men den leveransen har sedan dess nådde en återvändsgränd.
Plutonium-238 har inte producerats i USA sedan slutet av 1980-talet. Materialet är en biprodukt av kärnvapen och producerades senast under det kalla kriget, förklarade Roger Launius, rymdhistorisk kurator vid Smithsonians National Air and Space Museum i Washington, DC
'Moralen i historien är att det finns ett begränsat antal uppdrag som kan drivas med plutonium-238 med den aktuella aktien som vi har,' sa Launius till guesswhozoo.com.
Denna brist på plutonium-238 har varit ett känt problem inom vetenskapssamhället i flera år, men 2009 års NRC-rapport var ett oförskämt uppvaknande av hur hemsk situationen verkligen är, säger Alan Stern, ledare för NASA: s New Horizons-uppdrag till Pluto, och en planetvetare vid Southwest Research Institute.
'Det är inte för mycket att säga att framtiden för en sund ledarställning för USA 21st-hundradets planetvetenskap beror på tillgång till plutonium-238, säger Stern, som också var associerad administratör för NASA: s Science Mission Directorate från 2007 till 2008.
Utsikter för framtiden
Den exakta mängden plutonium-238 som fortfarande finns tillgänglig är inte offentlig-Energidepartementet håller vanligtvis sådan information under omslag. Nyfikenhet, även känd som Mars Science Laboratory, bär nästan 3,6 kilo (8 pund) av det radioaktiva bränslet. Därefter uppskattar forskare att det finns tillräckligt med plutonium-238 kvar för bara ytterligare ett flaggskeppsplanetuppdrag.
'Vi är ute på en resa till för att utforska, och det är det,' sa Stern. 'Det är bara galet. Att vara så nära kanten innan vi tar slut är oansvarigt.
Konstnärens koncept visar NASA: s Jupiter Europa Orbiter, som skulle ha ett komplement av 11 instrument för att utforska Europa och Jupitersystemet. Rymdfarkosten är en del av det gemensamma NASA-ESA Europa Jupiter System Mission.(Bildkredit: NASA / ESA)
Tidigare i år släppte National Research Council sin Planetary Science Decadal Survey, som representerade en samsyn om det breda vetenskapliga samfundets mål för planetvetenskap under de kommande tio åren. De högsta prioriteringarna som beskrivs i dekadalundersökningen inkluderade en serie provåtergångsuppdrag till Mars och ett uppdrag att utforska Jupiters iskalla måne Europa.
Det uppskattade Europa-uppdraget på 4,7 miljarder dollar, kallat Jupiter Europa Orbiter, skulle kräva en RTG-strömkälla som drivs av plutonium-238.
'Vi har tillräckligt med plutonium i vårt lager nu för att möta NASA: s behov under slutet av decenniet - fram till 2020 eller så', säger Adams.
Men för att planera prospekteringsuppdrag utöver den tidsramen måste bristen på plutonium-238 åtgärdas.
Hittills finns det inget ersättande kraftsystem som är lika säkert, effektivt och pålitligt som plutoniumdrivna RTG, sa McNutt. NASA har forskat på nästa generations system som omvandlar en större andel värme från plutonium-238 till elektricitet, vilket i huvudsak skulle kräva mindre material per uppdrag. Men dessa system har ännu inte testats tillräckligt.
Har slut på alternativ
McNutt uppskattar att omstart av produktionen av plutonium-238 skulle kosta cirka 50 miljoner dollar till 75 miljoner dollar under femårsperioden. Denna fråga om finansiering har vanligtvis varit där förespråkarna hittade de största avspärrningarna. Launius, som också var en del av 2009 års NRC-kommitté, sa att förslaget att starta om produktionen av plutonium-238 väckte komplicerade budgetfrågor i kongressen.
'DOE var intresserad av att hjälpa NASA, och NASA var intresserad av att få detta gjort', förklarade Launius. 'Ingen av parterna kunde komma överens med att återinföra en produktionslinje och den årliga kostnaden därefter i samband med detta.'
Även om NASA skulle vara den primära konsumenten, föreslog de två byråerna att dela produktionskostnaderna.
'[DOE] är ansvarig för att upprätthålla den nationella förmågan att stödja utveckling, produktion och säkerhet för radioisotopkraftsystem för nationella säkerhets- och rymdutforskningsuppdrag och det är fast beslutet att uppnå det uppdraget,' Alice Caponiti, programdirektör för infrastrukturkapacitet på Department of Energy, berättade för guesswhozoo.com i ett mejl. 'Administrationens budgetbegäran för FY12 föreslog ett kostnadsdelningsarrangemang mellan DOE och NASA för att finansiera detta arbete.'
Men medlen för NASA och DOE anslås av två separata kongressens underkommittéer, och viktiga lagstiftare har inte lyckats nå en överenskommelse som skulle ge DOE nödvändig finansiering för att starta om produktionen av plutonium-238.
'Jag tror att det finns vissa individer i kongresskommittéerna som kontrollerar energidepartementet som är emot detta,' sa Stern. 'De har möjlighet att se till att det inte händer, och de har varit mycket effektiva i flera år nu. Vi måste nu få ryssarna att ta oss till rymdstationen, vi kan inte utforska månen som den var när jag var pojke, och nu ska vi ta bort vår förmåga att utforska det djupt yttre solsystemet . Det är mycket nedslående och det är försvagande för USA. För människorna som hindrar detta måste de avslöjas. Det här är opatriotiskt. '
En konstnärs koncept för New Horizons -rymdfarkosten när den besöker Pluto 2015. Instrument kommer att kartlägga Pluto och dess månar, vilket ger detaljer inte bara på ytan av dvärgplaneten, utan också om dess form, vilket kan avslöja om ett hav ligger eller inte under isen.(Bildkredit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute)
Ett komplicerat problem
Avsaknaden av enighet i denna fråga har orsakat 'allvarlig frustration' bland forskare, som ser själva planetvetenskapens framtid som på spel, enligt McNutt.
'Om jag kunde skulle jag skriva en check på 10 miljoner dollar', sa han. 'Med tanke på vad vi pratar om, och med tanke på var vi är, från utsidan och tittar in, för att inte göra detta, verkar det vara ett mycket' penny-klokt men punddumt 'beslut.'
Dessutom, även om produktionen av materialet kunde börja omedelbart, skulle det dröja år innan en ny butik av plutonium-238 är tillgänglig för användning.
'Det är inte som att vända på en strömbrytare,' sa McNutt. 'Det tar en viss tid att tillaga plutonium-238. Massor kemiska processer måste ske , och alla dessa saker tar tid. '
Ändå sa Caponiti att DOE arbetar med att starta om produktionen av detta värdefulla material, som hon sa också har ansökningar om nationell säkerhet. Men återigen, finansieringsfrågan hänger kvar. [ Topp 10 rymdvapen ]
'Med den planerade produktionshastigheten på upp till två kilo [cirka 4,4 pund] per år kan måltillverkning och målbearbetning åstadkommas i befintliga anläggningar som ändras efter behov för uppgraderingar av utrustning och supporttjänster', säger Caponiti. 'Det kommer att ta ungefär sex till sju år att nå denna produktionshastighet, beroende på finansieringsprofilen.'
Planetforskare är hoppfulla att en förståelse för vad som står på spel och en plan för att ta itu med frågan kommer att få dragkraft bland lagstiftare som har förmågan att åtgärda problemet.
'Det är lätt att kasta sten på kongressen nu för tiden', sa McNutt. ”Men med tanke på alla de mycket stora, pressande problemen är det inte sådant som tenderar att få människors uppmärksamhet. Det finns vissa människor som legitimt känner att det här helt enkelt inte är en prioritet, att det inte finns tillräckligt med pengar och att det inte är deras problem. Men jag tror att om du försöker gå tillbaka och titta på skogen och inte bara de enskilda träden, så är detta en av de saker som har hjälpt oss att bli ett tekniskt kraftverk. Det vi har gjort med robotutforskning av rymden är något som människor inte bara i USA utan runt om i världen kan se upp till. '
För närvarande har medlemmar i planetvetenskapssamhället prioriterat att få fram ordet och utbilda inte bara politiker utan också allmänheten.
'Det vi försökte göra i 2009 års rapport är verkligen att påpeka baksidan av att USA slipper arbetet med att producera detta material,' sa McNutt. 'Vi ville se till att ingen, om några år från nu, kunde säga,' jag insåg inte att det här skulle vara ett sådant problem och att vi inte bara kunde vända om och åtgärda problemet över en natt. ' För det kan vi inte. '
Du kan följa guesswhozoo.com personalförfattare Denise Chow på Twitter @denisechow . Följ guesswhozoo.com för det senaste inom rymdvetenskap och prospekteringsnyheter på Twitter @Spacedotcom och igen Facebook .
