Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

Esplorare i laghi polari di Titano

Il nome ricorda i Titani, figli di Crono (Saturno per i Romani), protagonisti della lotta contro Zeus e altri dei dell’Olimpo per la conquista del trono celeste. Lotta strenua, ma che li vide perdenti e sprofondati nelle viscere della terra, il Tartaro, come racconta Esiodo nella sua Titanomachia. Da qui il termine titanismo, con cui si intende l’atteggiamento di ribellione contro tutte le forze superiori che dominano e opprimono gli slanci vitali e la libertà stessa, ribellione pur nella consapevolezza di essere destinati alla sconfitta. Forse è proprio nella speranza che Titano capitoli, prima o poi, sotto la conquista da parte di una qualche missione che ne sveli i più profondi segreti, il motivo per cui gli scienziati hanno chiamato così questo massiccio satellite di Saturno.
fig.1_piano proposte missioni su TitanoFatto sta che questo corpo celeste  è oggetto di molte  ambiziose indagini da parte dei ricercatori, da quando nel 2005 la sonda Cassini e il lander Huygens, da essa trasportato, iniziavano a raccogliere informazioni che testimoniavano  la presenza di laghi di idrocarburi. Questi si presentano sempre più come luoghi favorevoli allo studio della formazione di molecole prebiotiche, in conseguenza delle trasformazioni fisiche e chimiche nei cicli di metano ed etano che si sviluppano su di esso. Ed è per questo che sono numerose le proposte di esplorazione presentate (ben sedici!) (fig.1), di cui solo quattro sono state prese in considerazione dalla Commissione che valuta le proposte delle missioni spaziali, in quanto le altre erano risultate troppo costose anche a fronte di risultati molto apprezzabili. La ricerca è stata condotta dal team Titan Lake Probe Study presso il Jet Propulsion Laboratory, una delle strutture più importanti della NASA.
Quattro sono gli obiettivi principali che si prefiggono tutte le missioni dirette a Titano:

  1.  lo studio della formazione ed evoluzione del satellite e della sua atmosfera attraverso l’analisi della composizione dei laghi, in particolare il lago Kraken;

  2.  l’osservazione delle interazioni tra superficie liquida e atmosfera per determinare il ruolo dei laghi  nel ciclo del metano;

  3.   lo studio dei laghi quale luogo-laboratorio per la formazione di composti chimici solubili in acqua e di quelli non solubili;

  4.  la ricerca di un oceano di acqua al di sotto della superficie e la presenza in esso di eventuali modifiche mareali nel corso dei 16 giorni di rotazione del satellite.

fig. 2_floating lander with relay communicationDelle quattro missioni prescelte, tre sono incluse nella classe New Frontiers, piuttosto ampia e generica, adatta quindi a comprendere le missioni più diverse, in grado di conseguire molti obiettivi scientifici utilizzando tecnologie  già disponibili come ad esempio il razzo Atlas V. E’ comunque necessario effettuare un adeguamento della parte strumentale e dei sistemi di campionatura per renderli idonei all’ambiente lacustre tipico delle zone polari di Titano. La possibilità di utilizzo di sistemi già in uso abbassa notevolmente i costi di realizzo e quindi queste missioni potrebbero essere attivate già dal 2022. Tutte prevedono l’impiego di un AeroShell a doppio guscio rigido e schermato: la parte anteriore protegge il corpo principale del lander dall’aumento di pressione e calore dovuto all’attrito, durante l’ingresso nell’atmosfera titana; quella posteriore, cioè la piattaforma, insieme ad altri componenti, quali paracadute, motori a razzo ed elettronica di controllo. I sistemi di propulsione di tutti i moduli prevedono l’utilizzo di generatori a radioisotopi di tipo Stirling (ASRG) che  sono incaricati anche di mantenere costante la temperatura interna della sonda. Diversi, invece, sono le strutture e i metodi di trasmissione dei dati.

1. Il floating lander with DTE communication è una piattaforma galleggiante che, dopo un volo interplanetario di 6 anni, dovrebbe discendere sulla superficie del lago Kraken, quando questo è rivolto verso la Terra in modo da inviare direttamente su di essa i dati raccolti con il sistema di comunicazione DTE (Direct-To-Earth). Mentre il lander galleggia sulla superficie del lago, giroscopi, accelerometri e sensori solari definiscono il senso della rotta.

2. Il submersible with relay communication è una sonda sommergibile che, dopo circa 9 anni di volo, dovrebbe compiere rilevamenti dapprima a livello della superficie del lago per 2 giorni, poi immergersi per circa 6 ore per misurazioni e campionature in profondità e quindi riemergere per inviare i dati raccolti al carrier in flyby o ad un satellite trasmittente.

3. Il floating lander with relay communication (fig.2) consiste in un lander galleggiante dotato solo di tre strumenti: uno spettrografo di massa con cromatografo, strumenti per la valutazione delle proprietà del lago e una fotocamera da immersione, responsabili della raccolta dei dati da inviare, come nel precedente modello, al carrier in flyby o ad un satellite trasmittente.

fig.3_flagshipMa il sistema di Saturno, e Titano sopratutto, rappresentano uno dei luoghi del Sistema Solare più importanti dal punto di vista scientifico ed è quindi logico e giustificato che la NASA stia preparando, anche senza troppo parlarne, progetti per raggiungere il gigante gassoso con almeno una missione di classe Flaghsip (la maggiore, cioè con un budget massimo intorno ai 2 miiardi ollari, da lanciare presumibilmente dopo il 2025. La sonda sarebbe articolata nelle classiche due sezioni, l’orbiter e il lander, con la differenza (non da poco!) che il lander sarebbe un natante, separabile anch’esso in due sezioni e incaricato di una missione di 32 giorni sul lago Kraken.

Il lander dovrebbe essere costituito da due elementi, il galleggiante e il sommergibile(fig.3a). Il primo, progettato con una base ampia a sufficienza per distribuire il peso della piattaforma sulla superficie di impatto e rimanere in galleggiamento nello strato più superficiale, è mantenuto opportunamente a temperatura costante grazie a generatori di calore ai radioisotopi e ad un doppio isolamento a vuoto. Un ulteriore isolamento dovrebbe essere garantito sulla superficie di immersione con uno strato di aerogel per mantenere costante la temperatura interna. Dovrebbe essere dotato, inoltre, di strumentazione idonea alla rilevazione di tutte le variazioni atmosferiche per correggere la navigazione in galleggiamento. Il sistema di alimentazione dovrebbe essere assicurato da due generatori ASRGs, uno per il lancio e uno per la crociera, e da un sistema di batterie a ioni di Litio per le parti impegnate nella raccolta e nell’immagazzinamento dei dati. Anche il sistema di telecomunicazione dovrebbe essere doppio: uno in X-band verso l’orbiter intorno a Saturno ed uno in VHF verso il sommergibile. La missione dovrebbe operare durante la notte titana per eliminare l’uso dei sensori solari e rendere ininfluenti le variazioni termiche interne al lander emerso. Il sommergibile, ermeticamente isolato grazie al vuoto creato tra l’involucro interno ed esterno e ulteriormente protetto da strati di materiale isolante, dovrebbe raccogliere un numero limitato di informazioni durante la discesa, quali ad esempio le modifiche di composizione al variare della profondità, e inviarli al lander con il sistema VHF. Una volta sul fondo, dovrebbe raccogliere ed analizzare campioni di sedimenti e acquisire dati con il sonar per 30 giorni, prima di tornare in superficie e inviare questi all’orbiter intorno a Saturno durante il suo secondo flyby intorno a Titano.
Come si può ben comprendere da quanto detto, l’esplorazione del laghi di Titano offre una ricca opportunità per fare luce su questo enigmatico satellite e molte sono le possibilità da seguire per metterla in atto ma…

fig.3a_flagship configuration2013/11/15 04:06 CST
Oggetto: FY2014 NASA bilancio, politica spaziale, RTG, tecnologia futura, Concetti Future Missioni, Plutonio-238.

In uno sbalorditivo annuncio di oggi Jim Green, Direttore della Divisione Scienze Planetarie della NASA, ha annunciato che i lavori sul Generatore avanzato ai Radioisotopi Stirling avrebbe cessato la sua attività a causa di tagli di bilancio:
Con un adeguato approvvigionamento di plutonio-238, e considerando le attuali restrizioni di bilancio, la NASA ha deciso di interrompere l’approvvigionamento di materiale ASRG per il  volo. Abbiamo dato indicazioni per il Dipartimento di Energia, che gestisce l’approvvigionamento, per finire il lavoro sulle unità di volo. L’hardware procurato nell’ambito di questa attività verrà trasferito al Glenn Research Center per continuare lo sviluppo e la sperimentazione della tecnologia Stirling.
http://www.planetary.org/blogs/casey-dreier/2013/20131115-nasa-just-cancelled-its-asrg-program.html

Quindi tutto è sospeso!
Sospese le missioni New Frontiers, pur essendo quelle a più basso costo.
Sospesa la Flagship Mission, pur essendo la più consistente per risultati scientifici previsti.
E sospese anche le missioni TiME, Titan Mare Explorer e AVIATR (Aerial Vehicle for In-situ and Airborne Titan Reconnaissance), già segnalate in precedenti articoli.

Per il momento… vince ancora Titano!

SIMONETTA ERCOLI

 

 

FONTI

  1. In-Situ Missions for the exploration of Titan’s lake, Johm O. Elliott and J. Hunter Waite, JBIS, Vol. 63, pp. 376-383, 2010
  2. California Institute of Technology/Jet Propulsion Laboratory, “Titam Saturn System Mission Final Report”,
    http://opfm.jpl.nasa.gov/file/08_TSSM+Final+Report_public+Version.pdf
  3. http://www.planetaryprobe.org/sessionfiles/Session5/Presentations/2_Waite_Titan_Lake_Probe.pdf
  4. http://www.planetary.org/blogs/casey-dreier/2013/20131115-nasa-just-cancelled-its-asrg-program.html

 

29 aprile 2014 Posted by | Planetologia, Scienze dello Spazio | , , , | Lascia un commento

Tra l’incudine e il martello

In Elettricità e calore dai radioisotopi  abbiamo raccontato come la NASA ha vinto la battaglia per produrre a proprie spese il Plutonio 238 da impiegare nello spazio per ottenere elettricità e calore senza dipendere dal Sole. Ma è stata una vittoria  di Pirro, perché problemi di carattere manageriale e le solite ristrettezze di bilancio hanno obbligato l’Agenzia a fare scelte amare.

330px-MMRTG_schematic_-_english_labels(nell’illustrazione: un MMRTG). Il PU 238 è un isotopo che non esiste in natura e deve quindi essere prodotto artificialmente.  Il primo problema riguarda proprio la produzione: ne verrà generato al massimo 1 kg. circa all’anno e solo a partire dal 2021.  La riserva degli Stati Uniti assomma oggi a una trentina di chili, parzialmente “decaduti” radioattivamente, ed è quindi probabile che le prime quantità prodotte vengano utilizzate per rivitalizzare le scorte.  Nello spazio, il calore generato dal PU 238 viene trasformato in elettricità da un generatore termico a radioisotopi (RTG) o da un suo successore chiamato MMRTG di cui esistono 7 unità pronte per essere utilizzate a bordo delle prossime sonde.

Con queste limitate capacità, la NASA si appresta ad affrontare gli impegni del presente decennio e del prossimo, mentre ordina alla  Lockheed Martin Space System, da tempo incaricata dell’ASRG, il nuovo modello di generatore, di rispedire ogni cosa relativa a tale progetto ai  laboratori  del Glenn Research Center di Cleveland, uno dei più grandi centri di studio dell’Agenzia, che sottoporrà la tecnologia Stirling, il cuore del ASRG, a ulteriori studi e approfondimenti. Da un punto di vista meramente finanziario la NASA ha speso fino ad oggi 272 (198)* milioni di dollari per sviluppare la tecnologia ASRG, e altri 100 (72) sarebbero stati spesi in due anni per ottenere il primo generatore pronto per l’utilizzo in missione. Invece, sospendendo ora il programma, la NASA realizzerebbe subito un risparmio di 170 (124) milioni, ritardando però di una decina  d’anni l’entrata in servizio del nuovissimo ASRG, guarda caso proprio il tempo necessario per smaltire le attuali scorte.

Sembra incredibile che la più grande agenzia spaziale del mondo, mentre vanta per il 2014 fondi assegnati per oltre 17,6 miliardi di dollari, ritenga desiderabile realizzare un risparmio di 170 milioni e la razionalizzazione delle scorte a scapito di una tecnologia innovativa che aprirebbe la strada a ben altri risparmi e sopratutto promuoverebbe l’esplorazione delle regioni esterne del Sistema Solare grazie all’affermarsi di nuovi tipi di missione e del relativo hardware. Ciò che vogliamo dire appare chiarissimo dopo l’esame della seguente tabella comparativa:

 

tabella MMRTG-ASRGAnche facendo lavorare sempre gli ASRG in coppia per creare una  ridondanza contro eventuali guasti  di parti mobili, i vantaggi che si otterrebbero sostituendo semplicemente gli MMRTG con gli ASRG, a parità di energia prodotta, sono evidenti. Ma altri fattori sono intervenuti e  i manager della NASA hanno realizzato di avere la possibilità di far fronte alle richieste per i prossimi anni assegnando alle uniche due missioni di classe “Flagship” (1,5 – 2 miliardi di dollari) pronte al lancio entro il 2022,  le scorte di PU238 e gli MMRTG disponibili in magazzino.  Si tratta di Mars 2020 rover e di Europa Clipper. Quest’ultima specialmente gode della  considerazione del Congresso e del pubblico,  alla luce dei recenti avvistamenti di pennacchi eruttivi simili ai nostri geyser che scagliano attorno al satellite nuvole di vapor d’acqua. Attraversandole con una sonda opportunamente attrezzata, si potrebbero ottenere nuove conoscenze in merito al supposto oceano d’acqua sotterraneo che sarebbe presente dentro la luna di Giove e della sua capacità di ospitare la vita.

Esiste inoltre un confine che potremmo definire tecnologico, al di là del quale l’alimentazione di una sonda spaziale non può essere affidata solo alle celle fotovoltaiche perché il Sole è così lontano che la sua luce ci giunge troppo fioca. Fino a ieri questa linea  di confine era grosso modo rappresentata dalla Fascia Principale degli Asteroidi, mentre oggi, in seguito a veloci progressi tecnologici, tale confine si è spostato verso  l’esterno fino a comprendere l’orbita di Saturno. Naturalmente apposite commissioni di esperti sono già al  lavoro per verificare quali e quanti vantaggi potranno ottenere  dalla moderna tecnologia fotovoltaica le prossime sonde che opereranno nella nuova zona (vale a dire tra la Cintura degli Asteroidi e l’orbita di Saturno). Sembra che Europa Clipper passerà da una formula 100% nucleare (5 MMRTG), a una ibrida con meno generatori, o forse al 100% fotovoltaica.

Europa Clipper(nell’illustrazione: Europa Clipper). Ma il discorso va oltre perché c’è una quantità di nuove missioni che gli astrofisici americani hanno studiato considerando l’ASRG una risorsa disponibile  subito o nel breve termine.  Ci riferiamo a missioni molto specializzate, per la maggior parte a basso costo (classe Discovery: 425-500 milioni). Ne ha rilasciato un lungo elenco l’American Astronomical Society (AAS) alla fine del 2013, stilato ispirandosi alle linee guida espresse dalla NASA in un precedente documento chiamato Enduring Quests Daring Visions. Anche se si tratta di documenti ancora piuttosto vaghi e generici, sono importanti per capire i desideri e gli interessi professionali della massa degli astronomi e degli astrofisici americani, e sopratutto mettere alla prova la loro creatività in presenza di uno strumento molto avanzato come l’ASRG, che avrebbe garantito l’alimentazione e il riscaldamento della sonda in qualsiasi ambiente. Di certo l’improvvisa e del tutto inattesa ibernazione del progetto ASRG ha cambiato completamente le carte in tavola e una larga fetta delle missioni proposte dall’AAS è diventata semplicemente  inattuabile. Per esempio quelle che hanno come obiettivo  le zone polari della Luna, scarsamente illuminate, o l’emisfero oscuro di Mercurio. Sono luoghi non lontani dalla Terra ma di sicuro interesse scientifico e forse, nel caso della Luna, anche minerario. Ma sopratutto rimangono esclusi Urano e Nettuno con le loro interessantissime lune e la misteriosa Fascia di Kuiper, con Plutone e i suoi Plutini, nonché centinaia di altri pianeti nani, asteroidi, nuclei  cometari esauriti, e  chissà cos’altro.
Non è poco.

ROBERTO FLAIBANI

 

* la seconda cifra corrisponde al valore in euro della prima

FONTI:

Van Kane, The ASRG Cancellation in Context, The Planetary Society

Casey Dreier,  Continued Victories for Planetary Exploration, The Planetary Society

Casey Dreier, Europa Beckons, The Planetary Society

Casey Dreier, NASA just cancelled its Advanced Spacecraft Power Program, The Planetary Society

Jeff Foust, Omnibus  bill gives NASA $17,65 billions… , Space Politics

Jeff Foust, Astronomers’ bold visions clash with limited budgets, Space Politics

Dan Leone, Lockheed shrinking ASRG team as closeout work begins, Space News

NASA, Enduring Quest Daring Visions

 

 

 

 

9 aprile 2014 Posted by | Astrofisica, Astronautica, Scienze dello Spazio | , , , | 3 commenti

Elettricità e calore dai radioisotopi

Quando fu lanciato nel 2011, Curiosity portava con sé un materiale così potente che il Presidente degli Stati Uniti fu chiamato ad approvare il lancio. Questo materiale, il Plutonio-238 (Pu-238), è usato per generare elettricità dai processi di decadimento radioattivo ed è stato essenziale in almeno 30 missioni nella storia della NASA. Ora però il suo futuro è messo in dubbio: dal 1988 gli Stati Uniti non hanno più generato Pu-238 e le scorte esistenti sono quasi terminate. Ma dopo anni di sforzi da parte di centinaia di persone in tutta l’amministrazione governativa, gli Stati Uniti sono sul punto di produrre di nuovo il Pu-238. È un programma ampio e complesso che richiede un complicato coordinamento tra varie agenzie federali, il Congresso e la Casa Bianca, e che ha rischiato di non sopravvivere alle prime battaglie politiche e di bilancio. Ma mentre nuove sfide sopraggiungono, la NASA ha silenziosamente acquisito uno dei suoi più importanti successi politici degli ultimi decenni.

(immagine 1: il decadimento radioattivo del Pu-238)

 decay

Il Plutonio-238

Le rimanenze della scorta nazionale di Plutonio-238 sono custodite negli impianti di sicurezza del laboratorio nazionale di Los Alamos, nel Nuovo Messico. L’ammontare esatto non è un dato di pubblico dominio ma è probabilmente meno di 30 kg. Questi ultimi preziosi chilogrammi sono in grado di consentire solamente un numero ristretto di missioni. La NASA si trova di fronte a una tale drammatica carenza di scorte che una vasta area del nostro sistema solare diventerà inaccessibile, a meno che non venga creato nuovo plutonio al più presto. L’energia solare cala drammaticamente di intensità quanto più ci si allontana dal Sole. In pratica, ogni volta che la distanza dal Sole raddoppia l’energia ricevuta da esso diminuisce di un fattore quattro (la legge dell’inverso del quadrato della distanza). Un’astronave che si diriga a grandi distanze dal Sole avrebbe quindi bisogno di pannelli solari sempre più grandi per poter generare la stessa quantità di energia, ma esistono limitazioni alla massa e altri problemi di carattere ingegneristico che limitano le dimensioni dei pannelli e ne restringono l’uso a missioni da svolgersi entro la Cintura degli Asteroidi. Chiunque si avventuri negli spazi profondi o esplori aree in ombra o pervase dalla polvere non può permettersi di dipendere dal Sole per l’elettricità. Il Plutonio-238 è l’unica risposta pratica per generare corrente elettrica in questo tipo di missioni.

 Il Plutonio-238 è un isotopo instabile che decade naturalmente e si trasforma in uranio-234 grazie alla liberazione di una particella alfa (in pratica un nucleo di elio). Questa si scontra poi con l’ambiente circostante creando calore, il quale viene convertito in energia elettrica tramite un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG). Tale isotopo non si trova in natura, e la sua vita media di circa 87 anni garantisce che ogni scorta naturale decadrà in tempi geologici. Per mantenerne un rifornimento adeguato il Pu-238 deve essere creato e ricreato costantemente.

Jim Green ha capito il problema perfettamente. Come direttore della Divisione di scienze planetarie della NASA è responsabile delle missioni la cui destinazione si trova entro i confini del sistema solare, ed è una delle figure chiave che stanno conducendo gli sforzi della NASA finalizzati a ricominciare la produzione del Plutonio. “Se uno decide di considerare il Sistema Solare come se fosse solo una piccola frazione di quello che è veramente, allora non abbiamo bisogno di Pu-238” , ha detto Green. “Un sacco di gente crede che serva per le missioni verso i pianeti esterni e non si rende conto che una missione senza Plutonio non è in grado di portare a casa dei campioni di terreno dalla faccia nascosta di Mercurio, non può muoversi in un cratere permanentemente al buio, e nemmeno atterrare al Polo Nord o al Polo Sud di Marte per ricavare una carota di ghiaccio e poi studiarla. Il Plutonium-238 è essenziale per le capacità infrastrutturali”.

Oltre a fornire energia, piccole palline di Pu-238 possono essere usate come fonti di calore in una missione che per altri usi si avvale dell’energia solare. Il calore passivo fornito da Pu-238 rende disponibili preziosi ampères da fornire a strumenti scientifici piuttosto che ottenerli da un inefficiente impianto elettrico di riscaldamento. Due delle più efficienti macchine spaziali della NASA, i rover di Marte Spirit e Opportunity, hanno usato numerose palline di Plutonio-238 per riscaldamento. “Senza di esse, i rover non avrebbero avuto nemmeno un’autonomia di 90 giorni.” ha detto Green riferendosi alle prime missioni su Marte. Opportunity si avvicina ai dieci anni di attività sul Pianeta Rosso, Spirit è durato quasi sei. “Il Plutonio è essenziale per quasi ogni cosa che facciamo”, ha concluso Green.

pellet

(immagine 2: Una pallina di biossido di plutonio arde nel calore prodotto dal suo stesso decadimento radioattivo, alla temperatura di circa 1350 gradi  Celsius. Il biossido di plutonio è un composto ceramico poco solubile in acqua, resistente al fuoco e alla trasformazione in polvere: se inalato o ingerito, è infatti letale. Queste palline  di combustibile vengono racchiuse in strati di grafite e iridio e infine inserite in un dispositivo RTG come fonte di calore.)

La storia della crisi

Durante la prima metà dell’era spaziale creare Plutonio-238 non era un problema. La Guerra Fredda spingeva la produzione di armi nucleari negli Stati Uniti, e dava supporto a una massiccia infrastruttura dedicata alla loro costruzione e al loro mantenimento. Il Plutonio-238 era generato in grandi quantità nei reattori del Savannah River National Laboratory sfruttando i processi usati per creare l’isotopo Plutonio-239, più adatto ad essere usato come arma. Nel 1988 il Dipartimento dell’Energia fu però obbligato a chiudere i vecchi reattori del Savannah River per motivi di sicurezza. I piani per far ripartire i reattori furono cancellati nel 1992, dopo che le stime di costo subirono aumenti tali da arrivare a cifre a nove zeri e nello stesso tempo la necessità di armi nucleari diminuiva sulla scia dei trattati per la riduzione degli armamenti e del collasso dell’Unione Sovietica. Mentre il mondo celebrava la fine della Guerra Fredda, gli Stati Uniti perdevano la capacità di generare l’energia necessaria per l’esplorazione dello spazio. Dopo la chiusura dei reattori del Savannah River era chiaro che gli Stati Uniti sarebbero eventualmente rimasti senza Plutonio-238. Le scorte esistenti avrebbero tuttavia soddisfatto le necessità della NASA ancora per alcuni decenni e, mancando l’urgenza, la volontà politica di ricostruire la capacità di produzione domestica era inesistente. Nonostante questo, all’inizio degli anni ’90 il Dipartimento per l’Energia iniziò un programma per incrementare la scorte rimanenti acquistando il Plutonio russo. Col passare degli anni, cinque missioni furono lanciate con il Pu-238, attingendo alla riserva in diminuzione mentre il decadimento radioattivo intaccava inesorabilmente quello che rimaneva. Nei primi anni 2000 il problema del Plutonio stava diventando difficile da ignorare. Nel tentativo di aumentare le scorte, la NASA iniziò un programma tecnologico volto a migliorare l’efficienza dell’RTG e ridurre l’ammontare del Pu-238 necessario per ciascuna missione. Creò il generatore avanzato a radioisotopi Stirling (ASRG), che è quattro volte più efficiente della tecnologia esistente e si trova nella fase finale dello sviluppo.

Confidare solo sull’ASRG non avrebbe fatto altro che ritardare l’inevitabile esaurimento del Plutonio. Di fronte a una crisi imminente, Green fu obbligato ad agire. “Quando diventai direttore della Divisione di scienze planetarie non avevamo nessuna speranza di essere in grado di fare ripartire la creazione del Pu-238, eravamo veramente a un punto morto” disse Green. “Così ci imbarcammo in un programma a lungo termine per convincere i nostri dirigenti sia qui che all’interno della Casa Bianca che eravamo decisi a rimetterci in moto e ristabilire il processo di produzione del Plutonio”. Secondo Green, il risultato era lontano dall’essere certo: “Con niente in mano iniziavamo un processo rispetto al quale avevamo una possibilità – dico una possibilità – di vederlo decollare.”

Riuscire a ripartire

Ricominciare a produrre Plutonio comporta un balletto insolitamente complesso tra varie Agenzie Federali, Ministeri, e il Congresso. Dato che il DOE (il Dipartimento dell’Energia) ha l’esclusiva autorità di amministrare la riserva nazionale di materiale radioattivo, la NASA deve lavorare con il DOE per creare un piano di produzione. I diversi uffici nella Casa Bianca che supervisionano la politica relativa alle scienze devono approvare questo piano. Poiché creare Plutonio costa denaro, sia la Nasa che il DOE devono avanzare richieste formali di finanziamento. Questi finanziamenti sono gestiti da differenti sottocomitati nel Congresso, sia al Senato che alla Camera dei Rappresentanti, e tutti dovevano essere d’accordo con questo piano e finanziarlo adeguatamente. La sfida di creare consenso diffuso in così tante aree d’interesse era a dir poco scoraggiante. La soluzione si nascondeva, come capita con molti problemi di governo, in un rapporto. Nel 2009, il National Research Council rilasciava un documento intitolato “Radioisotope Power, Systems: an imperative for Maintaining U.S. Leadership in Space Exploration”, che denunciava la situazione che il paese doveva affrontare e consigliava di fare ripartire urgentemente la produzione del PU-238. Il rapporto conteneva conclusioni che non lasciavano adito a dubbi.

“Mi piace pensare che il rapporto sia stato uno degli elementi di svolta” disse Ralph Mc Nutt, un ricercatore presso il laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University e copresidente del comitato autore del rapporto. “L’obiettivo era assicurarsi che se dopo 25 anni il programma fosse scomparso, nessuno avrebbe potuto dire: ‘Perché nessuno mi ha informato?’”. Nel 2009 il DOE richiese formalmente l’autorizzazione a ricominciare la produzione del Plutonio. Seguendo dei precedenti storici, avrebbero pagato per riavviare il processo, che si stimava sarebbe costato intorno ai 100 milioni di dollari in cinque anni, una minuscola frazione del budget annuale dell’Agenzia, pari a 30 miliardi di dollari. La NASA, il DOE e la Casa Bianca erano tutti d’accordo sul piano di rilancio. I fautori della ricerca spaziale tirarono un sospiro di sollievo: bastava solo che il Congresso approvasse il finanziamento.

preparation to launch

(immagine 3: I tecnici esaminano il Multi-Mission Radioisotope   Thermoelectric Generator (MMRTG) del Curiosity che contiene 4,8 chilogrammi di Pu-238.

Politica

Per gestire l’ impegnativo compito di supervisione dei bilanci ognuna delle due camere del Congresso si avvale di 12 sottocomitati responsabili di distribuire i fondi al governo federale. Il DOE e la NASA sono assegnati a differenti sottocomitati, che sono composti da rappresentanti eletti, ma la normale amministrazione dipende da personale specializzato alle dipendenze del comitato. Poiché è compito di questo personale scrivere il testo definitivo delle leggi e i relativi rapporti, essi detengono un immenso potere, specialmente su questioni che non attirano l’attenzione dei rappresentanti eletti. Così nel 2009, quando il DOE per primo richiese i fondi per produrre il Pu-238, furono i relativi sottocomitati a silurare la proposta, dichiarando che il programma era “impreciso”, e “ingiustificato a livello generale”. I sostenitori dell’esplorazione dello spazio rimasero impietriti. “Il sottocomitato per l’Energia e le Acque decise che la produzione di Pu-238 non faceva parte dello scopo per cui il DOE era stato istituito e che spettava alla NASA pagare tutte le spese”, disse Alex Saltman, che all’epoca faceva le funzioni di direttore legislativo per il deputato Adam Schiff (Democratico – California). Schiff appartiene al sottocomitato della Camera responsabile per il bilancio della NASA ed è un forte sostenitore del rilancio della produzione del Plutonio-238. Il DOE e la NASA ripartirono da zero.

L’anno successivo la Casa Bianca presentò un budget dove ciascuna agenzia pagava metà del costo del programma. A dispetto di un intenso lavoro di lobbying organizzato dalla Planetary Society e da altre organizzazioni con interessi scientifici, il sottocomitato a cui era assegnato il DOE diede nuovamente parere negativo, dichiarando che il Pu-238 non era necessario per nessuna iniziativa di pertinenza del DOE o della National Nuclear Security Administration. Dato che la NASA sarebbe stata l’unica utilizzatrice del Plutonio, il sottocomitato era del parere che essa avrebbe dovuto accollarsi l’intera spesa”. Alex Saltman stigmatizzò quella argomentazione: “La più importante smentita all’idea che il DOE dovesse rimanere strettamente ancorato alla sua missione originaria è che la National Nuclear Security Administration – che è un’enorme parte del DOE – è completamente dedicata alle necessità della Difesa. Il DOE è usato come un’agenzia di servizi quando si tratta del Dipartimento della Difesa, ma non quando si tratta della NASA. “È frustrante. Ma quando uno lavora nel Parlamento, allora l’intera faccenda diventa frustrante”, concluse Saltman.

Due anni erano stati persi nei meandri dei sottocomitati parlamentari. Nel frattempo la Russia si era tirata indietro dall’accordo di vendere Pu-238 agli Stati Uniti, aggravando la crisi dei rifornimenti. La NASA decise di pagare per intero, non aveva altra scelta. Il sottocomitato per l’Energia e le Acque aveva vinto quel gioco ad alto rischio. Nel 2010 il Congresso concesse alla NASA l’autorizzazione a pagare il DOE per creare il Plutonio-238 e nel 2012 fornì finalmente i fondi per farlo. Jim Green è pragmatico: “Se paghiamo il DOE perché svolga il suo ruolo, beh, qualche volta è il costo per concludere un affare. Mi è sembrata la parte minore di un problema più grande, cioè ottenere di ricominciare la produzione, cosa che era stata vietata per legge. Questo sì che era un risultato enorme, e quando si realizzò esultai”.

 Ricominciare

Nel luglio del 2012, appena fuori di Knoxville, nel Tennessee, una piccola quantità di Nettunio-237 veniva delicatamente stivata presso il Reattore ad Alto Flusso dell’Oak Ridge National Laboratory. Bombardato da neutroni ad alta energia, una parte del Nettunio si trasformò in Plutonio-238 per la prima volta dopo 25 anni. Solo una piccola quantità di Pu-23 fu creata nel 2012, molto meno di quanto sarebbe necessario per alimentare un’astronave, ma questo risultato era previsto e voluto. La creazione di materiale radioattivo è cosa che deve essere affrontata con cautela e con grande rispetto per la salute, la sicurezza e la massima attenzione all’impatto ambientale. Sebbene il processo teorico per la creazione del Pu-238 sia chiaro, non è stato ancora messo in pratica in un impianto moderno. Il DOE deve stabilire qual’è la strada migliore da seguire da qui in avanti, e la NASA lo paga per farlo. È un modo di procedere lento e frustrante, e senza un flusso di cassa la piena produzione non sarà raggiunta prima del 2019, momento in cui il DOE sarà in grado di generare circa 1,5 kg di Plutonio lavorato ogni anno. “Il progetto è attualmente nella fase di dimostrazione tecnologica, che vuol dire dimostrare e ottimizzare le diverse fasi della procedura, prima di arrivare gradatamente alla piena produzione. – spiega Ryan Bechtel, direttore del Power Systems Safety nell’Office of Nuclear Energy del DOE. “I fondi che abbiamo ricevuto sono stati sufficienti per ottenere ottimi progressi fino a oggi.” Ralph MCNutt, coautore del rapporto ufficiale sul plutonio, ritiene accettabili gli attuali progressi: “Stiamo andando nella giusta direzione. Da quanto ho potuto vedere ciascuno sta facendo l’impossibile per ottenere i risultati desiderati. Tutti si rendono conto che questo progetto è importante per gli Stati Uniti e che è importante lavorare tutti insieme per portare a termine l’obiettivo.” Entro la fine del 2013 il DOE fornirà alla NASA un pacchetto di richieste chiare per sostenere la produzione di Pu-238, e se tutto va bene l’intero programma sarà implementato dal 2015.

(immagine 4: 1. Il nettunio-237 è spedito dal Idaho National Laboratory a Oak Ridge, Tennessee tramite l’Office for Secure Transport del National Nuclear Security Administration. 2. Il nettunio viene  sottoposto a un bombardamento di neutroni e si trasforma in plutonio-238, che viene  estratto e purificato, mentre il nettunio-237 rimanente viene riciclato. 3. Il Pu-238 viene spedito al Los Alamos National Laboratory. 4. Qui il materiale viene stoccato. Quando serve vengono costruite la palline di biossido di plutonio da usare nei dispositivi RTG. 5. Le palline vengono spedite all’Idaho National Laboratory per essere assemblate. 6. Le palline vengono assemblate nel RTG e il tuttto viene spedito a Cape Canaveral per il lancio.)

Pu-238 path

Il futuro

Il successo definitivo del progetto di rilancio della produzione del Plutonio dipende da due fattori: una costante produzione di Pu-238 e la disponibilità del generatore avanzato a radioisotopi Stirling (ASRG). Senza l’aumento di efficienza promesso dall’ASRG, il DOE non produrrà Plutonio in quantità sufficiente per soddisfare le necessità della NASA. La precedente e meno efficiente tecnologia RTG limiterebbe l’attività della NASA a una, due missioni ogni 10 anni. L’ASRG, come tutti i programmi dell’Agenzia, deve far fronte a dei tagli di bilancio. Un test già pianificato per simulare una missione di lunga durata con l’ASRG è stato cancellato, sebbene la NASA dichiari di considerarsi ancora in pista per la consegna di due unità pronte al volo entro il 2016. Ulteriori tagli potrebbero causare ritardi al programma, impedendo l’uso dell’ASRG in missioni da lanciare nel decennio 2020-30, a causa della programmazione di lungo periodo richiesta in questi casi. La riduzione dei fondi ha ridotto le immediate necessità della NASA di astronavi alimentate a Plutonio. La sola missione in fase di sviluppo attivo che dipenda dal Pu-238 è il Mars Rover, il cui lancio è previsto per il 2020. Missioni minori potrebbero essere selezionate negli anni a venire, ma non verrebbero lanciate prima della fine del presente decennio e l’inizio del successivo. Le difficoltà a venire non dovrebbero contraddire il grande successo del programma per il rilancio della produzione del Plutonio. È stato un trionfo della volontà, ma non della volontà di un solo individuo. Centinaia di persone votate alla causa combatterono per anni per garantire la presenza continuativa di un particolare isotopo radioattivo nel territorio degli Stati Uniti. Questa non è cosa di tutti i giorni. È stata anche una vittoria per il bistrattato programma di esplorazione planetaria della NASA, che nel passato recente ha dovuto accusare ripetuti tagli dei fondi e cancellazioni di missioni. Ma quando i finanziamenti aumenteranno, il combustibile a Plutonio sarà qui, pronto per rendere possibili le più emozionanti e urgenti missioni che possiamo immaginare.

 Chi vuole saperne di più, ed eventualmente ricoprire un ruolo attivo nel programma del Pu-238 e dell’ASRG, può visitare il sito della Planetary Society.

ULTIMO AGGIORNAMENTO

Per completezza, riferiamo qui delle notizie giunte dopo la pubblicazione del presente articolo in lingua inglese. La NASA ha silenziosamente sospeso il programma ASRG e ha annunciato un’improvvisa ristrutturazione del progamma di finanziamento del settore delle Scienze Planetarie, a dispetto del forte supporto proveniente dal Parlamento. Ciò ha provocato un’immediata, dura reazione della Planetary Society che con la sua periodica campagna di pressione verso i parlamentari e il Presidente Obama ha raccolto ben 45.000 email di sostegno all’esplorazione planetaria. Sul canale YouTube della Planetary Society è apparso un video del CEO Bill Nye che si rivolge al Presidente chiedendo il ripristino del precedente budget per le Scienze Planetarie. Il video è stato visto da 900.000 persone, un vero record! (RF)

traduzione di ROBERTO FLAIBANI

editing di DONATELLA LEVI

Titolo Originale: Power From the Isotopes, di Casey Dreier,

pubblicato in Planetary Report 2013 v.33 #3

Si ringrazia la Planetary Society per l’uso  delle immagini

17 febbraio 2014 Posted by | Astrofisica, Astronautica, News, Scienze dello Spazio, Senza categoria | , , , , , | Lascia un commento

   

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