יום שלישי, 27 בנובמבר 2012

אנרגיה גרעינית בחלל, על הקרקע, ובגוף האדם


דמיינו לכם שהיתה קיימת סוללה שיכולה לפעול עשרות רבות של שנים ללא טעינה, ללא תחזוקה וכמעט ללא ירידה בביצועים. אפשר היה למצוא לה שימושים רבים; החל מהפעלת מתקנים מרוחקים בסביבה עוינת, וכלה בקוצבי-לב.
אני שמח לבשר שאכן קיימת סוללה כזאת, היא נקראת RTG והסוד שלה הוא אנרגיה גרעינית.

אכן, ישנם אנשים שלבם פועל בעזרת כוח אטומי.






יחידת ה- RTG הוזכרה במספר רשומות קודמות, כולל הלפני-אחרונה, ולה שימושים יצירתיים ומפתיעים, אך לעיתים גם תוצאות הרסניות ביותר.


חלק ראשון - האטום הוא ידידך!

RTG הוא מחולל (גנרטור) תרמואלקטרי רדיואיזוטופי, כלומר מתקן שמפיק חשמל מהחום שנוצר בתהליך ההתפרקות הטבעי של חומר רדיואקטיבי. החשמל, אגב, מופק רק מחלק קטן מהאנרגיה. החלק הגדול של האנרגיה המשתחררת בתהליך הוא חום, שלעיתים ניתן להשתמש בו פשוט לחימום.
במתקנים מסויימים אין דרישה להספק חשמלי רב, אלא לזרם חשמלי חלש בלבד. עבורם פותחו RTG שמשתמשים ישירות בקרינת בטא (שטף אלקטרונים) כמקור זרם.

החומר הרדיואקטיבי מגיע במנות קטנות העטופות בנפרד זו מזו בשכבות של חומרים קרמיים ומתכתיים כדי למנוע מקרינה לצאת החוצה אפילו במקרים של נזקים חמורים. מתקנים מסוג זה שרדו אפילו שיגורים כושלים לחלל ונפילה לא מבוקרת דרך האטמוספירה (למעט הדגמים הראשונים בשנות ה- 60, שלא צלחו בשמירה על בידוד הקרינה בעת התרסקות).

השימושים הראשונים למתקנים אלו היו עבור לווינים, בעידן שבו ייצור חשמל מתאים סולאריים טרם הוכיח יעילות רבה. לכן אפשר היה להשתמש ב- RTG אחד במקום לוחות סולאריים עצומים, שצריך לדאוג לכוונם כל העת אל השמש. במשימות אפולו לקחו איתם האסטרונאוטים מתקני RTG לירח, והשאירו אותם שם. באמצעותם הופעלו במשך שנים מכשירי מדידה שנותרו על אדמת הירח.

ה- RTG של אפולו-14 על אדמת הירח
לקוח מתוך ויקיפדיה. קרדיט: NASA

היום משתמשים במכשירים אלו עבור משימות חלל לטווחים ארוכים, הרחק מהשמש. במרחקים הללו אור השמש אינו מספיק על מנת להפיק די חשמל להפעלת מערכות החללית באמצעות תאים סולאריים. לכן RTG הוא ספק כוח מושלם למטרה זו.
הגשושה ניו-הורייזנס בדרכה לפלוטו.
משמאל ניתן להבחין בשתי יחידות RTG שמספקות לה כוח חשמלי.


חלק שני - סוף מעשה במחשבה תחילה

גם על כדור הארץ נמצאו שימושים ראויים ל- RTG. עיקר השימוש נעשה על ידי ברית המועצות, להפעלת מתקנים בלתי מאויישים בנתיבי ההפלגה שבאוקיינוס הקרח הצפוני. רוב המתקנים היו מגדלורים שניצבו על איים זעירים כדי לסייע לספינות המשייטות במקום להתמצא. לכאורה שימוש מעולה לטכנולוגיה מסוג זה.
העניין הוא שצריך לזכור שאלו מתקנים גרעיניים, שנשארים במקום נטוש למשך שנים. כאלף מגדלורים ומשואות רדיו פעלו מאז שנות הששים באמצעות RTG, אך בשנים שלקראת התפרקות ברית המועצות לא בוצעה להם תחזוקה או ביקורת. גרוע מכך, בנפילת הגוש הסובייטי חלק מרישומי המיקום של אותם מגדלורים פשוט אבד!
ארגונים לשמירת הסביבה מטעם האו"ם, רוסיה וארגונים עצמאיים ביצעו סקרים של אתרי המגדלורים, שרובם כבר לא היו פעילים בשלב זה, מה שיצר קושי עצום באיתורם ללא מאגרי המידע.
הסקרים גילו כי חלק מהמתקנים סבלו מבלאי עקב תנאי מזג אוויר ומליחות הים, וחלק מהם אפילו נגנב או הושחת על ידי גנבי מתכות. הבלאי וההשחתה הביאה לנזק סביבתי, וגם לנפגעי חשיפה לקרינה. למעשה בזכות הדיווחים הרפואיים נמצאו כמה מהמתקנים.
בנוסף לכל, מאחר ולא כל המתקנים נמצאו, ישנו גם חשש מפני שימוש בחומרים המסוכנים לצרכי ארגוני טרור.
מתקני RTG נטושים שנמצאו בחצי האי קולה. מי שקרא את
ספרי הצוללות של טום קלנסי יודע היטב היכן זה נמצא.

הרשלנות שיצרה את המצב המסוכן היא לא בהכרח השארת המתקנים ללא השגחה אנושית, אלא שבחלק גדול מהם לא היתה סביבם אפילו גדר או אזהרה מפני קרינה וחומרים מסוכנים, ושלא בוצעה ביקורת ותחזוקה אחת לתקופה מסויימת כדי לוודא את שלמות המתקן ובטיחותו.


חלק שלישי - פלוטוניום בלב

אחד השימושים המעניינים והמבריקים ביותר לדעתי הוא השימוש ב- RTG כספק כוח לקוצב המושתל בחזם של חולי לב. בוצעו השתלות רבות של קוצבי לב גרעיניים זעירים בשנות ה- 70, ולכאורה ללא תקלות.
הסיבה שאין יותר השתלות קוצבי לב גרעיניים היא המצאת סוללות הליתיום, שאורך חייהן מגיע גם לעשר שנים ויותר. ההנחיה של ארגון הקרדיולוגים העולמי היא להחליף קוצב אחת למספר שנים, ולכן אין צורך במכשיר יקר שאורך חייו עשרות רבות של שנים. 
קוצב לב גרעיני. הבעיה היא לא לחיות איתו
בתוך הגוף, אלא להיפטר ממנו לאחר המוות.


גם במקרה הזה, טכנולוגיה דורשת אחריות. היא כשלעצמה איננה טובה או רעה, כי הצד המוסרי תלוי רק באופן השימוש בה. דעת הקהל דוחה לרוב שימושים של אנרגיה גרעינית, בעיקר עקב שימושים הרסניים כמו נשק אטומי, ותאונות שנבעו מרשלנות בכורים גרעיניים. אבל שימוש נכון ומבוקר, יחד עם הבנה של המדע שמאחורי תהליכים גרעיניים (למשל מהי קרינה, מהי רדיואקטיביות, מהו ההבדל בין כור גרעיני לפצצה גרעינית), תאפשר שימוש מועיל באנרגיה זו למטרות שיקדמו את האנושות כחברה טכנולוגית.


בימינו, ניווט מתבצע באמצעות מקלטי GPS אז אפשר לוותר על מגדלורים בים הצפוני. אין יותר טיסות לירח ויש תחליף לקוצבי לב גרעיניים. זה משאיר אותנו עם משימות החלל מרחיקות הלכת. היוצאת מהכלל מבינהן היא משימת יוליסס, ששוגרה בשנת 1990 ומושא המחקר שלה היתה השמש.
אתם עשויים לשאול את עצמכם בשלב זה "רגע, מה פתאום השמש? הרי תאים סולאריים עדיפים בהרבה אם נמצאים קרוב לשמש." וזה נכון, כי חלליות אחרות שחוקרות את השמש אכן מצויידות בתאים סולאריים.

ובכן, אשאיר שאלה זו עבורכם כחידה:

מדוע נדרש, באופן חריג, שלא לומר ייחודי, להתקין ספק כוח גרעיני על חללית שחוקרת את השמש?


לקריאה נוספת על מצב המגדלורים הסובייטים הנטושים (מעניין, אבל מפחיד).

15 תגובות:

  1. ניחוש שלי: כדי להפחית ככל שניתן את השפעות הרוח הסולרית

    השבמחק
  2. במקרה של יוליסס משתמשים ביחידת הכוח הגרעינית גם לחימום ההידרזין.
    המסלול שלה הגיע עד לצדק, כך שהיה מספיק קר לחייב שימוש בחימום לצורך זה.

    השבמחק
    תשובות
    1. הסבר: ההידרזין הוא הדלק של החללית. בטמפרטורה של מתחת ל-2 קלווין, כלומר 271 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, הוא יקפא. המסלול של יוליסס עובר כל כך רחוק מהשמש בנקודה מסוימת שחייבים לחמם את הדלק, ולשם כך השתמשו ב-RTG.

      מחק
  3. אולי היא התקרבה למרחק כזה שבו הלוחות הסולריים מותכים מהחום?

    השבמחק
  4. ניחוש 1: כי היא עברה ליד שבתאי במהלך המסלול. וזה רחוק.
    ניחוש 2: כי תאים סולרים לא היו עומדים בחום בקרבה לשמש.

    השבמחק
  5. Unkown27 זו יעל. אני לא מבינה למה הוא טרח לקחת ממני סיסמה...

    השבמחק
    תשובות
    1. מוזר. בדרך כלל מופיע "אנונימי" כשאין זיהוי.

      מחק
    2. יעל, את לא Unknown27!
      27 זה חלק מהתאריך, את סתם Unknown... :-)
      יואב, זו תבנית סטנדרטית של בלוגר? יש פה בעיית יישור עברית/אנגלית...

      מחק
    3. שמתי לב. שינו כאן משהו לאחרונה ושמות באנגלית לא מתיישרים נכון.
      זו תבנית סטנדרטית.

      מחק
  6. אולי היא חוקרת סופות שמש ומסתתרת מאחורי כוכב חמה כדי להיות במצב של ליקוי תמידי.

    השבמחק
  7. אולי כי בין החללית לשמש נמצא מגן קרינה ולכן היא לא יכולה לקלוט אנרגיית האור ע"י תאים פוטואלקטריים?

    השבמחק
  8. לגבי שימוש ב- RTG בחלליות בעתיד:
    העניין קצת מסתבך בגלל שהחומר המתאים ביותר כמקור דלק ל- RTG הוא פלוטוניום 238. לאיזוטופ הספציפי הזה צפיפות אנרגיה גבוהה (וואט לגרם), ומצד שני רוב הקרינה שהוא פולט ניתנת לחסימה בקלות (קרינת אלפא), כך שהוא לא משפיע על מערכות אלקטרוניות אחרות בחללית.
    הבעיה: פלוטוניום 238 מיוצר במיוחד, בתהליך ארוך ויקר, מתוצרים של כורים גרעיניים לייצור חשמל.
    ארה"ב הפסיקה את הייצור ב - 1988, וככל הנראה כל ה- RTG שנבנו לאחרונה השתמשו בחומר שנקנה ברוסיה.
    הרוסים, מצידם, הפסיקו למכור את החומר - גם להם לא נשאר הרבה ממנו. ככל הנראה שבארה"ב נותרו ממנו כ- 30 ק"ג בלבד (האם זהו החומר-השימושי-לאנושות הנדיר ביותר בעולם???)
    חידוש הייצור כרוך בתקציבים של עשרות מליוני דולרים, והגופים השונים מתכתשים בינם לבין עצמם מי יישא בעלות.
    אם הייצור לא יחודש, ייתכן שלנאס"א לא יהיה פתרון לאספקת חשמל לחלליות שנועדו להתרחק מהשמש.

    השבמחק
    תשובות
    1. החדשות הטובות הן שהקונגרס האמריקאי אישר השנה לחדש את מלאי הפלוטוניום. הבעיה היא שקצב הייצור איטי להחריד ורק בעוד כמה שנים יתחילו להיות תוצרים.
      http://www.space.com/15184-plutonium238-spacecraft-fuel-production.html

      מחק
  9. התשובה לחידה היא שיוליסס הגיעה למסלול סביב השמש בעזרת כוח המשיכה של כוכב הלכת צדק (!), וכדי לפעול בסביבה הרחוקה של צדק נדרש מקור כוח חשמלי שאינו תלוי בשמש.

    השבמחק