2019-05-27
Ju längre bort från solen en rymdsond färdas, desto sämre fungerar solceller som energikälla för utrustningen ombord. Till slut är det inte längre möjligt att producera tillräckligt mycket el för att rymdsonden ska fungera. På långa resor fungerar inte heller batterier. Den teknik som då står till buds är olika former av kärnkraft. Sonderna kräver inte så mycket energi, men den måste produceras pålitligt under många år.
Plutoniumbatterier som utnyttjar värmen som alstras när plutonium-238 sönderfaller för att driva en termoelektrisk cell har använts som energikällor i rymden sedan det tidiga 1960-talet. De här kraftkällorna passar när effektbehovet är upp till några hundra watt. Som ett exempel är det en sådan här termoelektrisk generator som förser roboten Curiosity med energi. Curiosity har utforskat Mars yta sedan augusti 2012. Men de har också använts i en rad rymdsonder och i utrustning som har lämnats på månen. Halveringstiden för Pu-238 är 87,7 år och batteriet ger därmed pålitligt energi under flera årtionden innan effekten blir för låg.
Den europeiska rymdstyrelsen ESA har inte haft tillgång till plutonium-238, då det bara är USA och Ryssland som idag har kapacitet att framställa nukliden. Därmed har inte Europa kunnat genomföra några längre expeditioner på egen hand, utan har behövt samarbeta med USA eller Ryssland. Plutonium-238 är också att mycket dyrt och har länge varit en bristvara och tillgången har begränsat vilka expeditioner som har kunnat genomföras.
ESA har varit angelägna om att kunna genomföra egna expeditioner långt bort och man skickade därför 2009 ut en förfrågan till europeiska forskare om att lösa problemet.
De brittiska forskarna bakom genombrottet utnyttjade att plutonium-241 i använt kärnbränsle sönderfaller till americium-241, vilket är en lämplig kandidat för att driva de termoelektriska batterierna. I Storbritannien finns gott om plutonium från upparbetningen av det metalliska bränslet från Magnox-reaktorerna. Forskarna lyckades utvinna americium ur plutoniet och lyckades dessutom tillverka en fungerande termoelektrisk cell.
En bonus med det nya rymdbatteriet jämfört med plutoniumbatterier är att halveringstiden för americium-241 är 432 år vilket innebär att batterierna kommer att leverera nära full effekt under mycket lång tid.
En nackdel med att använda americium istället för plutonium är att effekttätheten är ungefär en fjärdedel i ett americiumbatteri. Americium-241 kräver också något mer skärmning än plutonium-238. Batterierna riskerar således att bli tyngre.
ESA planerar en expedition till Uranus med uppskjutning 2021. Resan dit tar 16 år och då kommer de nya batterierna väl till pass. Bristen på plutonium-238 är ett av de viktigaste skälen till att människan inte har skickat några sonder till Uranus sedan Voyager-2 passerade 1986, men nu ser det alltså ut att bli av.
Historiskt har termoelektriska batterier baserade på radioaktiva sönderfall använts även på jorden. plutonium-238 användes i tidiga pacemakers där det är viktigt att ha batterier med lång livslängd. I Sovjetunionen användes batterier baserade på strontium-90 för att driva avlägset belägna fyrar. Det amerikanska flygvapnet har också använt dem för att förse sensorer och radarsystem på avlägsna platser med el. Den ödsliga klippan Fairway Rock i Berings sund försågs mellan 1966 och 1995 med el från strontiumbatterier då man behövde ett sätt att hålla igång utrustning som lyssnade efter ubåtar.
Under 1960-talet skedde några incidenter med plutonium- och poloniumbatterier när uppskjutningar misslyckades. Det ledde till att batterierna började utformas för att klara ett återinträde genom atmosfären utan att sprida kontamination, vilket också har visat sig fungera.