زباله هسته‌ای، راه‌حل اروپایی‌ برای حل مشکل انرژی

عنصر رادیواکتیو آمریکیوم-۲۴۱ محصول جانبی فروپاشی پلوتونیوم به‌شمار می‌آید و هرگز به‌عنوان سوخت استفاده نشده است. آژانس فضایی اروپا در مأموریت‌هایی که به‌دلیل دوری از خورشید یا وجود سایه امکان استفاده از انرژی خورشیدی را ندارد، به شرکای روسی و آمریکایی خود وابسته است. از زمان مسابقه‌ی فضایی تاکنون، این کشورها برای تأمین انرژی موردنیاز مأموریت‌های فضایی خود از باتری‌های پلوتونیوم-۲۳۸ استفاده می‌کنند. باتری‌های پلوتونیومی ساخت ناسا برای استفاده در کاوشگر هویگنز یکی از نمونه‌هایی است که می‌توان به آن‌ها اشاره کرد. این باتری‌ها گرمای موردنیاز کاوشگر هویگنز در حین فرود روی قمر تایتان زحل را در سال ۲۰۰۵ تأمین می‌کردند؛ اما مشکل این است که در دهه‌ی گذشته، پلاتینویم با کمبود عرضه مواجه بوده و تولید آن نیز به هزینه‌ی زیادی نیاز دارد.

ESA بعد از حمله‌ی روسیه به اوکراین، روابط خود را با این کشور قطع کرد. آتنا کاستنیس (Athena Coustenis)، اخترفیزیک‌دان رصدخانه‌ی پاریس در میدون (Meudon) فرانسه و رئیس کمیته‌ی مشورتی ESA برای حمایت از این برنامه‌ی جدید، با اشاره به وضعیت کنونی سیاست، معتقد است که برای همیشه نمی‌توان به شرکای خود تکیه کرد.

نبود منبع انرژی مدت‌ها است که مأموریت‌های انفرادی پیشنهادشده‌ی دانشمندان اروپایی را با محدودیت‌هایی مواجه ساخته است. آژانس فضایی اروپا کمبود نیروی رادیوایزوتوپی خود را در سال ۲۰۱۴ به‌شدت احساس کرد. این اتفاق زمانی افتاد که کاوشگر Philae کمتر از سه‌ روز پس از فرود روی دنباله‌دار، در سایه قرار گرفت و به‌دلیل ناتوانی پنل‌های خورشیدی آن در تأمین انرژی، ارتباط خود را با زمین از دست داد. به‌گفته‌ی کاستتنیس، سال‌ها است که دانشمندان اروپایی روی این موضوع تأکید می‌کنند که برای سفر به نقاط دوردست و تاریک یا سرد در فضا، هیچ راه دیگری جز استفاده از منبع انرژی طولانی‌مدت وجود ندارد.

بهتر از پلوتونیوم

به‌عقیده‌ی Véronique Ferlet-Cavrois، یکی از رهبران نوآوری ENDURE در مرکز تحقیقات و فناوری فضایی اروپا، بزرگ‌ترین مزیت آمریکیوم درمقایسه‌با پلوتونیوم قیمت ارزان‌تر و فراوانی آن است. وی معتقد است که این عنصر به‌معنای استفاده‌ی مجدد از زباله‌هایی است که هیچ کاربردی جز این ندارند.

پلوتونیوم-۲۳۸ در فرایندی دومرحله‌ای و درنتیجه‌ی تابش نوترون به هدف نپتنیمی تهیه می‌شود. محققان آزمایشگاه ملی‌هسته‌ای بریتانیا در سلافیلد (NNL) نشان دادند که برای استخراج آمریکیوم می‌توان از سوخت‌های هسته‌ای بازفراوری‌شده در نیروگاه‌های غیرنظامی استفاده کرد. این عنصر را پس از استخراج می‌توان به‌شکل گلوله‌های سوختی درآورد و در هسته‌ی باتری‌ها استفاده کرد به‌گفته‌ی هاتون، بخشی از برنامه‌ی ENDURE، شامل اقدامات لازم با هدف افزایش ظرفیت تولید آمریکیوم برای استفاده در باتری‌ها خواهد بود.

آمریکیوم، نیمه‌عمر بیشتری از پلوتونیوم-۲۳۸ دارد؛ اما میزان انرژی موجود در هر گرم از این عنصر، کمتر از پلوتونیوم است. به‌گفته‌ی مارکوس لندگراف (Markus Landgraf)، باتوجه‌به دردسترس‌بودن آمریکیوم، هزینه‌ی تولید یک وات برق با استفاده از این عنصر، تقریباً یک‌پنجم هزینه‌ای است که درصورت استفاده از پلوتونیوم باید متحمل شد. لندگراف مسئولیت هماهنگی مأموریت‌های قمری آتی مرکز تحقیقات و فناوری فضایی اروپا را برعهده دارد.

در سه سال آینده، گروه ENDURE نمونه‌های اولیه را به مدل‌های پیش‌ساز و کاربردی‌ای توسعه خواهد داد که می‌توانند در شرایطی شبیه به مأموریت‌های واقعی آزمایش شوند. در راستای تلاش برای رسیدن به این مرحله، تیمی از دانشگاه لستر انگلستان با همکاری آزمایشگاه ملی‌هسته‌ای بریتانیا موفق شد دو نوع ابزار توسعه‌ دهد: ۱. واحد گرمایش رادیوایزوتوپی است که با استفاده از گرمای تولیدشده در فرایند فروپاشی آمریکیوم، ابزارها را گرم می‌کند؛ ۲. ژنراتورهای ترموالکتریکی رادیوایزوتوپی (RTGs) که با ایجاد اختلاف دما بین صفحات فلزی، گرمای لازم را برای تولید برق فراهم می‌آورند.

به‌گفته‌ی ریچارد امبروسی (Richard Ambrosi)، فیزیک‌دان و متخصص سیستم‌های قدرت فضایی و رهبر تیم لستر، هدف از طراحی این دو ابزار، محاسبه‌ی حجم بیشتر آمریکیوم در یک توان خروجی معین و دمای کمتر از پلوتونیوم بود. استفاده از مواد رادیواکتیو در این تحقیقات باعث می‌شود تا ایمنی نیز موضوعی حیاتی به‌شمار رود. واحدهای تولیدشده در لایه‌هایی متشکل از آلیاژ پلاتین،کپسوله می‌شوند. گفتنی است با وجود مهروموم‌شدن این کپسول‌ها، امکان خروج گرما از آن‌ها وجود دارد.

بنابر اظهارات امبروسی، فاز بعدی این تحقیقات روی تست ایمنی متمرکز خواهد بود تا عنصر آمریکیوم، گواهینامه‌ی تولید انبوه را به‌دست آورد. این آزمایش‌ها رفتار اجزای عنصر را در دماهای زیاد و تحت‌ضربه، بررسی خواهند کرد. اطمینان از نشت‌نکردن مواد رادیواکتیو هنگام وقوع انفجار در سکوی پرتاب، یکی از آزمایش‌هایی است که در این مرحله انجام خواهد شد. به‌گفته‌ی ریچارد امبروسی، دانشمندان باید بتوانند از مجموعه‌ی زیادی از سناریوهای خطرناک، جان سالم به‌در ببرند.

باتری‌های روی ماه

به‌گفته‌ی Ferlet-Cavrois، پس از توسعه‌ی این باتری‌ها، می‌توان از همان سیستم قدرت اولیه برای مأموریت‌هایی بهره برد که امکان استفاده از انرژی خورشیدی در آن‌ها وجود ندارد. شب‌های کره‌ی ماه که ۱۴ روز زمینی طول می‌کشند و سفرهای دورتر از سیاره‌ی مشتری، ازجمله مأموریت‌هایی هستند که امکان استفاده از پنل‌های خورشیدی در آن‌ها وجود ندارد. ماه‌نورد فعال چینی Chang’e-4 نیز برای زنده‌ماندن در شب‌های سخت قمری، از واحدهای گرمایشی پلوتونیمی اتفاده می‌کند. چین برای ساخت این واحدهای پلوتونیومی با کشور روسیه همکاری کرده است.

اولین هدف ESA برای شروع استفاده از منابع برق آمریکیومی فرودگر Argonaut Moon است که براساس برنامه‌ریزی‌های انجام‌شده، اوایل سال ۲۰۳۰ به فضا پرتاب خواهد شد. به‌گفته‌ی مارکوس لندگراف، این فرودگر مأموریت انجام مطالعات طولانی‌مدت روی ماه و پشتیبانی از فضانوردان حاضر در این سیاره را برعهده خواهد داشت. طبق گفته‌های Ferlet-Cavrois، آژانس فضایی اروپا امیدوار است که در دهه‌ی ۲۰۴۰، مأموریتی را نیز در ارتباط با غول‌های یخی اورانوس و نپتون انجام دهد. این دو سیاره، تنها در دهه‌ی ۱۹۸۰ و در حین پرواز سفینه‌ی Voyager 2 ناسا مطالعه شده‌اند.

مارکوس لندگراف بر این باور است که دردسترس‌بودن آمریکیوم و مشکلات تولید پلوتونیوم-۲۳۸، احتمال استفاده ناسا از این عنصر را افزایش می‌دهند. این آژانس در حال ارزیابی قابلیت‌های خود برای تولید ژنراتورهای ترموالکتریکی رادیوایزوتوپی است تا از آن‌ها در مأموریت‌های آینده‌اش استفاده کند. به‌باور لندگراف، عنصر آمریکیوم برای استفاده در پروژه‌ی آرتمیس که با هدف حضور طولانی‌مدت در ماه طراحی شده است، ازنظر ناسا جذابیت زیادیدارد. امبروسی با تأکید روی این موضوع که تحقیقات انجام‌شده روی فناوری آمریکیوم برای استفاده در مأموریت‌های واقعی بیش از یک دهه طول کشیده است، به هیجان فراوان محققان برای عملی‌شدن نتیجه‌ی این پژوهش‌ها نیز اشاره می‌کند.

5858