Nelle sonde interplanetarie batte un cuore caldo al plutonio 238

Abbiamo tante fonti di energia elettrica sulla Terra, fossili, idroelettriche, geotermiche, solari, eoliche, nucleari, tutte ben sviluppate e sfruttate dall’uomo in maniera variegata. Ma non appena lasciamo il nostro pianeta ci accorgiamo che questa abbondanza viene a mancare quasi completamente. Da sempre è stato un problema per le missioni spaziali riuscire a ottenere un adeguato approvvigionamento di energia. Se dapprima sono state impiegate semplici batterie che garantivano il funzionamento per pochi giorni, l’invenzione dei pannelli fotovoltaici ha successivamente permesso di mantenere in vita sonde nello spazio per svariati anni. Ma per quanto ci possa sembrare grande la nostra stella, ha una potenza limitata e non riesce a fornire energia a sufficienza molto lontano da lei.

Sin dagli albori dell’astronautica, per ottenere una fornitura costante e duratura di energia nei freddi meandri dello spazio interplanetario, le due maggiori agenzie spaziali hanno sviluppato sistemi di generazione di energia elettrica per mezzo di combustibile nucleare. Lo strumento più comunemente usato è il generatore termoelettrico a radioisotopi (Radioisotope Thermoelectric Generator, RTG) al plutonio 238, che, sebbene abbia un nome complicato, è uno strumento dal funzionamento estremamente semplice e affidabile che produce energia elettrica senza parti meccaniche in movimento.

Descrizione del plutonio 238

Benché le parole nucleare e radioattivo evochino alla mente come prima cosa pericoli per la salute umana, non è questo il caso, in quanto le radiazioni emesse sono esclusivamente di tipo alfa (di fatto ioni di elio) e posso essere schermate in modo semplice; se non schermate, comunque non riescono a penetrare la pelle umana. Addirittura per molti anni il plutonio è stato usato negli Stati Uniti negli impianti per i malati di cuore e ci sono tutt’oggi persone che camminano con questa scorta di plutonio nel loro corpo.

Una specialista del dipartimento della salute degli Stati Uniti misura il livello di radiazioni di uno dei tre RTG della sonda Cassini. Era il 1997 e non indossava alcun tipo di protezione. Credit: NASA.

Invece l’aspetto negativo principale è la scarsità di questo elemento sul nostro pianeta. Il plutonio 238 ha un tempo di dimezzamento di circa 88 anni, che vuol dire che un chilo di questo isotopo, dopo aver irradiato ininterrottamente per 88 anni, avrà trasformato metà della sua massa in altri elementi mentre l’altra metà continuerà la sua opera di irraggiamento ancora a lungo, riducendosi a 250 grammi dopo altri 88 anni, e così via. Il suo tempo di dimezzamento è relativamente breve rispetto all’età geologica della Terra, per cui è totalmente assente in natura; si produce in modo sintetico con un trattamento nucleare molto costoso a partire dal nettunio 237 presente negli scarti delle centrali nucleari. Al momento la produzione avviene solo negli Stati Uniti a un regime di 400 grammi per anno. Sì, solo quattrocento grammi per anno a fronte di qualche chilogrammo richiesto per ogni missione dove l’energia solare è insufficiente.

Il plutonio è un metallo con un comportamento inusuale: si contrae quando riscaldato. Ha un punto di fusione di 640 °C, troppo basso per permettere il corretto funzionamento di RTG, per questo si usa un suo composto, il diossido di plutonio, una specie di ceramica dal punto di fusione molto più elevato, 2.400 °C, che mantiene una struttura cristallina robusta anche in caso di decadimento di alcuni atomi vicini; il suo reticolato di cristallizzazione, infatti, cattura i prodotti derivati ed evita la rottura del materiale. Sebbene non sia pericoloso per l’uomo a livello di radioattività, è chimicamente e biologicamente un metallo molto reattivo, tossico ed esplosivo; nella sua forma di ossido, invece, è abbastanza inerte. Il suo potenziale energetico di radiazione è di poco più di mezzo watt per grammo. Questo valore non diminuisce con il tempo, bensì è la massa di plutonio presente in un RTG che diminuisce a causa del decadimento, facendo diminuire la produzione energetica totale del dispositivo.

Funzionamento di un RTG

A dispetto del nome, il principio di funzionamento è così semplice che può essere riprodotto a casa sostituendo al combustibile nucleare una fonte di calore più semplice, come una candela, che è più facile da reperire rispetto al plutonio. Il fenomeno fisico di base è l’effetto termoelettrico, o più in particolare l’effetto Seeback, comunemente usato nelle termocoppie per misurare la temperatura di oggetti. Prendiamo due barre di metalli diversi e due sorgenti a temperatura diversa, chiamate punto caldo e punto freddo (solitamente quest’ultimo è l’ambiente); se si unisce un estremo di ogni metallo nel punto caldo, si genera una differenza di potenziale negli altri due estremi lasciati liberi nel punto freddo.

Un principio semplicissimo, scoperto inizialmente da Alessandro Volta nel 1794, a cui lui però non diede molta attenzione, e riscoperto e formalizzato nel 1821 dal fisico estone Thomas Johann Seebeck. Con questo principio funzionano le termocoppie, piccoli componenti elettrici di due metalli diversi, solitamente usate con un voltmetro per misurare la minima differenza di potenziale, per ottenere una stima della temperatura di una sorgente calda, ma che, se messe in serie, possono generare una tensione apprezzabile. Gli RTG delle sonde spaziali funzionano proprio con questo principio, usando tante termocoppie in serie che sfruttano come punto caldo una piccola massa di materiale radioattivo.

Schema di funzionamento di una termopila ferro-rame: più termocoppie vengono messe in serie per generare una differenza di potenziale maggiore. Credit: Wikipedia.

Per fare un esempio più concreto, la sonda Voyager 1 usa dei generatori chiamati MHV-RTG, MultiHundred-Watt Radioisotope Thermoelectric Generators, con punto caldo (alla partenza, nel 1977) a 1000 °C generati da 4,5 kg di plutonio 238, un isotopo del più comune plutonio 239 scelto in quanto più radioattivo, raggiungendo così temperature più elevate. La produzione termica di ogni generatore è di 2400 watt, da cui si riescono a ricavare 157 watt di potenza elettrica, quindi con un’efficienza del 6,5%. Voyager 1 ha un totale di tre generatori MHV-RTG ed è una sonda operativa da più di 40 anni, che ha dimostrato inconfutabilmente l’affidabilità di questo tipo di fornitura di corrente.

Uso attuale e passato in astronautica

L’uso di combustibile nucleare per le missioni spaziali risale al 1961 con il lancio del satellite Transit 4A, il primo ad usare un sistema di generazione di energia di tipo RTG al plutonio 238, con una potenza di soli 4 watt. Se n’è fatto uso anche durante le missioni con equipaggio sulla Luna dalla missione Apollo 12 fino all’Apollo 17, quando veniva utilizzato per alimentare strumenti scientifici di vario tipo, denominati ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Package), lasciati sulla superficie lunare per poter funzionare per parecchi anni dopo il termine delle missioni. Si usava un generatore chiamato SNAP-27 (Systems for Nuclear Auxiliary Power), con 3,8 kg di plutonio racchiusi in un contenitore di berillio.

Uno SNAP-27 depositato sulla superficie lunare: le alette ben visibili servivano per il raffreddamento e quindi da punto freddo delle termocoppie. Credit: NASA.

Questo dispositivo veniva posizionato all’esterno del modulo LEM durante la fase di volo, in un contenitore ben isolato per proteggere il resto della navicella dalle forti temperature raggiunte. Si è usato pure durante la sfortunata missione Apollo 13; in questa occasione non è stato posto delicatamente sulla superficie della Luna, ma ha subito un rientro a velocità supersonica nell’atmosfera terrestre. L’involucro era stato progettato per resistere a questi eventi e ora giace con il suo contenuto di plutonio in fondo alla fossa di Tonga, a più di 6.000 metri di profondità, probabilmente intatto visto che non si sono rilevate fuoriuscite di plutonio. Il materiale che protegge il nucleo è progettato per resistere alla corrosione per circa 800 anni.

Negli anni 1970 il suo uso era diventato molto comune ed è stato adottato in varie missioni di lunga durata nello spazio profondo; a quei tempi la tecnologia dei pannelli fotovoltaici non era ancora molto efficiente e si preferiva un approvvigionamento di energia stabile. L’utilizzo di RTG al plutonio 238 ha permesso alla NASA di raggiungere nuove frontiere nell’esplorazione spaziale robotica per mezzo di missioni di successo e ancora famose, come Pioneer 10, prima missione a visitare Giove, Pioneer 11, la prima su Saturno, Viking 1 e 2, i primi lander su Marte a completare una missione di lunga durata, Voyager 1 e 2, due missioni storiche e ancora attive, le prime ad aver fornito dati scientifici direttamente dall’eliopausa, ai confini del sistema solare.

Negli anni 1980 la produzione interna di plutonio 238 fu interrotta dal governo statunitense e così diminuì considerevolmente l’utilizzo che se ne poteva fare nelle missioni spaziali. Sebbene ancora se ne potessero importare piccole quantità dall’Unione Sovietica, la NASA dovette centellinare le risorse già acquisite e razionalizzare le missioni dove utilizzarlo. È il caso delle missioni Galileo, Ulysses, Cassini, New Horizons e MSL/Curiosity, le uniche ad aver utilizzato il plutonio 238 dal 1980 a oggi. Missioni di importanza scientifica elevata, dal costo molto elevato e dai risultati indiscutibili. A luglio del 2020 dovrebbe partire anche la missione Mars 2020 con un RTG con 4,8 kg di plutonio 238.

Un’unità RHU che contiene una quantità di plutonio 238 più piccola di una monetina di un centesimo di dollaro. Credit: United States Department of Energy.

Ma la generazione di energia elettrica non è l’unico utilizzo del plutonio in astronautica. Anzi, data la sua dote principale di generare calore, viene utilizzato in piccolissime quantità per riscaldare i circuiti elettrici in sonde che normalmente utilizzano i pannelli fotovoltaici, ma che per motivi di missione potrebbero trovarsi in ombra per ore o giorni. È il caso di Spirit e Opportunity su Marte e Yutu sulla Luna, che durante le fredde notti usano dei dispositivi RHU, Radioisotope Heater Unit, per mantenere la temperatura al di sopra del limite che evita rischi di cedimento elettrico delle apparecchiature.

Produzione e fornitura

Le agenzie spaziali non producono internamente il plutonio 238 per i propri scopi, né ora né l’hanno mai fatto in passato. La NASA si affida per quanto può al Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti d’America (DOE), il quale è stato un ottimo fornitore fino ai tardi anni 1980. La produzione di questo isotopo era principalmente alimentata dagli scarti di produzione di testate nucleari, che venivano prodotte in grandi quantità durante la guerra fredda. Isolando l’isotopo nettunio 237 dagli scarti nucleari, si procedeva al bombardamento di neutroni del materiale: se un atomo di questo isotopo riusciva a catturare un neutrone, si trasformava in nettunio 238, un isotopo altamente instabile con tempo di dimezzamento di soli due giorni. Il decadimento del nettunio 238 è di tipo beta, un neutrone del nucleo si trasforma in protone emettendo un elettrone, trasformando l’atomo appunto in plutonio 238.

Evoluzione di alcuni isotopi pesanti se sottoposti a bombardamento neutronico.

Con la caduta del regime sovietico e il conseguente allentamento dei rapporti di tensione tra le due superpotenze di allora, cessò anche la fabbricazione di ordigni bellici nucleari. Il DOE chiuse l’ultimo impianto di raffinazione del plutonio 238 nel 1988, lasciando la NASA con un problema di pianificazione di missioni importanti. Da allora in poi l’agenzia spaziale potè contare con fatica sulle scorte già presenti, pochi chilogrammi, anche se la quantità precisa non è mai stata resa pubblica. Pertanto le 3 missioni già pianificate (Galileo, Ulysses e Cassini), che richiedevano l’uso di 20 kg, prosciugarono di fatto le riserve e resero necessario l’acquisto di plutonio 238 dalla Russia, ex Unione Sovietica, ironicamente lo stato contro il quale erano state intraprese azioni che avevano portato indirettamente alla produzione domestica. Negli anni 2000, l’assegnazione di combustibile per le missioni New Horizons e Mars Science Laboratory lasciarono solo 13,2 kg di scorta in magazzino; la Russia, che anch’essa contava esclusivamente sulle riserve rimaste dai tempi del comunismo, nel 2011 interruppe il servizio di vendita.

A fronte del rischio di cessare completamente le attività nello spazio profondo, gli Stati Uniti ripresero la produzione nel 2013, sempre tramite il DOE. La ripresa fu molto lenta, nei primi 3 anni solo 50 grammi vennero prodotti. Nel 2017 alla NASA si aggiunse il Canada come fornitore di plutonio 238, iniziando la produzione che entrerà a regime per essere concessa alla NASA solo nel 2020. All’inizio di quest’anno la produzione nel territorio statunitense è aumentata a 400 grammi per anno grazie all’automatizzazione di alcuni processi, e si prevede di portarla al ritmo sostenibile di 1,5 kg/anno nel 2025, una quantità sufficiente per permettere alla NASA la pianificazione di future missioni nello spazio profondo.

Fonti nucleari alternative

Vista la carenza di plutonio nel mondo, in passato sono state utilizzate anche altre alternative. Ad esempio l’Unione Sovietica ha fatto largo uso di uranio 235 (l’isotopo usato nelle centrali nucleari e nelle bombe atomiche) per i suoi satelliti spia durante il periodo della guerra fredda. A differenza del plutonio 238, questo isotopo dell’uranio emette un tipo di radiazioni pericolose per la salute umana: questo vuol dire che un incidente avrebbe potuto provocare numerose vittime. E di incidenti nel corso della storia ce ne sono stati. Il più noto di questi è stato il rientro incontrollato di Kosmos 954, la cui esplosione nei cieli dell’America settentrionale ha causato lo spargimento di materiale radioattivo su una vasta zona del Canada, fortunatamente poco popolata. L’esercito è intervenuto massicciamente per recuperare il più possibile i detriti pericolosi, che avrebbero potuto uccidere un uomo se fosse stato nelle vicinanze anche solo per un paio d’ore.

Un altro isotopo utilizzato in passato per missioni di breve durata è stato il polonio 210. Questo ha un potenziale di irraggiamento di ben 140 watt per grammo, di molto superiore agli 0,5 del plutonio 238, ma ha come controindicazione una vita media molto breve, di soli 138 giorni, il che lo rende inutile in missioni nello spazio profondo. È stato utilizzato ad esempio, solo per il riscaldamento dei circuiti, nel primo rover lunare, il Lunochod, la cui missione è durata quasi un anno, durante la quale è riuscito a percorrere più di 10 chilometri sulla superficie, un record davvero strabiliante se si considera che era solo il 1970.

Un altro combustibile largamente usato negli RTG terrestri è stato lo stronzio 90, che però non è mai stato usato in missioni spaziali. Questo isotopo ha il vantaggio di essere molto abbondante e quindi reperibile a costi contenuti. È stato usato in RTG nei fari isolati del territorio sovietico affacciantesi sul Mar Artico. Sebbene il contenuto fosse leggermente nocivo per la salute, alla caduta del comunismo c’è stata letteralmente una razzia e tutti i fari sono stati depredati.

Molti altri isotopi sono stati analizzati e sono ancora in fase di studio. L’ESA, che ha per molti anni evitato l’uso di materiale radioattivo, sta considerando l’impiego dell’americio 241 come isotopo per i suoi RTG, meno efficiente ma più facilmente reperibile dai rifiuti delle centrali nucleari.

Animazione di un motore Stirling: sfrutta due sorgenti termiche, una calda e una fredda, ma ha parti in movimento. Credit: Wikipedia.

Un’altra direzione in cui vanno gli studi è il miglioramento dell’efficienza dei generatori elettrici. La NASA sta conducendo studi intensivi per utilizzare un motore Stirling al posto delle termocoppie per generare elettricità dal calore (ASRG, Advanced Stirling Radioisotope Generators). Sebbene l’efficienza migliorerebbe di molto, da circa 6% a 30%, l’introduzione di parti meccaniche in movimento potrebbero ridurne l’affidabilità a lungo termine. Ci vorrà del tempo prima di vedere gli ASRG a bordo di una sonda spaziale.

Fonti: NASA, ESA, ANS

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3 Risposte

  1. Roberto Felici ha detto:

    Bellissimo articolo. Grazie.

  2. Alberto Zonato ha detto:

    Molto interessante. Grazie!

  3. MayuriK ha detto:

    Complimenti per l’ottimo articolo, qualcosa già sapevo ma è stato molto istruttivo e interessante.

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