¿Por qué las sondas espaciales usan plutonio? Guía casera para fabricar tu propio generador de radioisótopos

Si queremos explorar el Sistema Solar sin depender de la luz del sol sólo nos queda usar generadores de radioisótopos (RTG) para generar la electricidad que necesitan las sondas espaciales. Pero, ¿por qué se usa plutonio-238 en estos aparatos y no otro elemento?¿Qué tiene este elemento de especial? De la respuesta a esta pregunta depende nuestra capacidad de viajar por el espacio exterior.

Esférula de dióxido de plutonio-238 para un RTG. A pesar de lo que Los Simpsons nos quieren hacer creer, no es de color verde. El calor que desprende esta pieza nos permite explorar el Sistema Solar (NASA).

No hay nada mágico en el uso del plutonio como combustible para sondas espaciales. Los RTGs generan electricidad a partir del calor creado por la desintegración radiactiva del plutonio-238 mediante el uso de termopares, así de simple. Y si algo sobra en la naturaleza son isótopos radiactivos, así que en principio resulta difícil entender cuál es la razón para elegir un isótopo tan caro de producir como el plutonio-238. Y es que el Pu-238 sólo se emplea como combustible para RTGs, ya que carece de cualquier otra aplicación práctica, tanto civil como militar. Sí, como lo oyes. Si quieres fabricar un arma nuclear necesitas Pu-239 o Pu-240, pero el Pu-238 es completamente inútil a la hora de producir un hongo atómico (por supuesto, se pueden usar -y de hecho se usan- RTGs en sistemas militares, pero el RTG en sí mismo no es un aparato de naturaleza militar). También vale la pena mencionar que, además de en RTGs, los isótopos radiactivos se pueden usar en RTGs de tipo Stirling (ASRGs, más eficientes y que usan menos plutonio, pero tienen partes móviles) o para calentar ciertas zonas de los vehículos espaciales usando pequeños dispositivos denominados RHUs.

RTG (MMRTG) de Curiosity (NASA).

RTGs lanzados al espacio.

La primera consideración a la hora de elegir un isótopo radiactivo para tu nave es ver su vida media. De nada te sirve tener un isótopo abundante y barato si luego se desintegra pasados unos meses dejándote colgado. Las sondas espaciales de la NASA se diseñan en la actualidad para funcionar no ya durante años, sino décadas (no hay más que ver a las Voyager, que siguen dando guerra 36 años después gracias a sus RTGs). La Unión Soviética decidió usar polonio-210 para las sondas lunares Lunojod 1 y Lunojod 2 de los años 70, así como para dos satélites experimentales. Además de servir para envenenar espías, el Po-210 es una opción a tener en cuenta si lo que quieres es generar mucho calor para mantener los sistemas de tu nave a una temperatura óptima durante unos meses, pero no es tan buena idea si deseas producir electricidad durante décadas. El Po-210 sólo tiene una vida media de 140 días, mientras que la del Pu-238 es de... ¡88 años! Obviamente no hay color. Además, el punto de fusión del Po-210 ronda los 255º C, una temperatura fácil de alcanzar en una misión espacial dándote algún disgusto que otro (el Pu-238 por el contrario cambia de estado a más de 2200º C).

Vida media de radioisótopos para RTGs.

El caso es que tampoco nos interesan isótopos con una vida media demasiado elevada, ya que la cantidad de energía liberada por unidad de masa sería demasiado pequeña. Los RTGs basados en isótopos con vidas medias muy largas serían mucho más pesados y grandes. Es por eso que debemos rechazar isótopos con vidas medias superiores a los cien años (como es el caso del polonio-209, el americio-242, el californio-249 o el americio-241). Por supuesto, no todo el mundo está de acuerdo. La Agencia Espacial Europea (ESA) ha propuesto usar americio-241 (con una vida media de 433 años) en las futuras misiones espaciales al espacio profundo, a pesar de que genera un 25% de la electricidad de un RTG de plutonio para la misma masa. Los motivos de esta decisión, más abajo.

RTG a base de americio-241 propuesto por la ESA (ESA).

Sea como sea, aquí es donde las cosas se ponen interesantes. De los casi tres mil isótopos radiactivos conocidos, solamente 22 tienen una vida media comprendida entre los 15 y los 100 años. Ni que decir tiene, esto reduce nuestra lista significativamente. Los candidatos son los siguientes:

Bien. Ahora viene otro problema, que es cómo se desintegran los dichosos isótopos. En el instituto aprendemos que existen tres tipos de mecanismos de desintegración radiactiva: alfa, beta y gamma, ordenados de menor a mayor capacidad de penetración en la materia. Aquellos isótopos que se desintegran emitiendo radiación gamma no nos interesan por dos motivos. Primero, porque no queremos someter a los técnicos que construyen la nave a dosis elevadas de radiación, no vaya a ser que se nos mueran y sus familias demanden a la NASA. No, definitivamente, eso daría muy mala imagen. Para evitar este inconveniente tendríamos que blindar el RTG de tal forma que los rayos gamma no pudiesen escapar, pero ya sabemos que en astronáutica, como en aviación, el peso es oro. Y no es un decir, porque un kilogramo de masa de una sonda espacial cuesta más que el oro puro (¡casi más caro que la tinta de impresora!). El otro problema es que la radiación gamma interferiría -mejor dicho,freiría- la electrónica asociada a los delicados instrumentos de la nave, algo que tampoco nos interesa especialmente.

Radiación emitida al desintegrarse los isótopos de RTGs.

Los isótopos que se desintegran emitiendo radiación beta (que no es otra cosa que electrones) no están mal. La radiación beta es relativamente sencilla de bloquear, aunque una vez más estamos hablando de masa extra que sería preferible evitar. Si el peso del blindaje no nos importa, son una opción a tener en cuenta. De hecho, los primeros RTGs comerciales fabricados en los años 50 para uso terrestre usaban estroncio-90, un isótopo que se desintegra emitiendo copiosa radiación de tipo beta. El primer RTG estadounidense vio la luz el 16 de enero de 1959 y era una bola de 2 kg capaz de generar 11600 vatios-hora de electricidad durante 280 días. En la antigua Unión Soviética también se fabricaron numerosos RTGs (conocidos allí como RITEG) a base de estroncio-90 para uso terrestre, muchos de los cuales aún siguen en servicio.

Diseño del primer RTG norteamericano de uso civil a base de estroncio-90.

RITEG/RTG soviético de uso civil.

Entonces, podemos usar estos isótopos, ¿no? No tan deprisa. La radiación beta tiene la mala costumbre de generar rayos X al chocar contra la materia mediante el proceso de bremsstrahlung. Y ahí volvemos a la casilla inicial con los problemas del blindaje, el cáncer y freír los instrumentos. Así que está claro que lo lógico es usar isótopos que se desintegren mediante partículas alfa, que son núcleos de helio muy fáciles de frenar usando un blindaje ligero. La lista se reduce entonces a cinco isótopos: curio-243, curio-244, uranio-232, gadolinio-148 y plutonio-238. Pocos, sí, pero bastante donde elegir. Genial, ¿verdad? Bueno, no tanto. Una vez más, no debemos cantar victoria tan rápido.

Porque otro criterio que nos queda por tener en cuenta a la hora de elegir nuestro isótopo mágico es la radiación secundaria que producen. Efectivamente, estos elementos se desintegran a su vez en otros isótopos que también emiten radiación. Desgraciadamente, el curio-243 y el uranio-232 generan cantidades significativas de isótopos que emiten radiación gamma, así que nos vemos obligados a dejarlos en el tintero.

Un astronauta del Apolo retira en la superficie de la Luna el núcleo de un RTG SNAP-27 (NASA).

Por último, debemos tener en cuenta cómo vamos a producir estos isótopos. Si queremos fabricar varios kilogramos al año, lo ideal es emplear un reactor nuclear. Esto nos obliga a desechar otro candidato, el gadolinio-148. Este isótopo es en principio un candidato ideal para ser usado en RTGs. Únicamente emite radiación alfa y además se desintegra en un isótopo estable (el samario-144) que no emite ningún tipo de radiación secundaria, reduciendo así la toxicidad del material. Lamentablemente, solamente sabemos fabricar gadolinio-148 usando un acelerador de protones, así que la cantidad de Gd-148 producida al año nunca sería superior a unos pocos gramos (a no ser, claro está, que decidamos construir como locos aceleradores de protones por todo el mundo para fabricar gadolinio-148, que todo puede pasar).

Por lo tanto, una vez aplicados todos los criterios nos quedan únicamente dos isótopos que pueden ser usados en RTGs: el curio-244 y el plutonio-238.

Pero el curio-244 es un rival bastante triste para el plutonio-238. Para empezar, el Cm-244 emite 180 veces más radiación gamma residual que el Pu-238 (las muestras nunca son puras al 100% y siempre existen otros isótopos de cada elemento que se desintegran mediante radiación gamma). Aunque lo realmente grave es que la emisión de neutrones del curio-244 es 450 veces (!) superior a la del Pu-238. Una vez más, tenemos el molesto problema del blindaje adicional: el curio-244 es un verdadero isótopo malote. Y no sólo eso. La vida media del Cm-244 es de tan sólo 18 años. Suficiente para una misión como Curiosity, pero no para una sonda como la Cassini, que debe permanecer más de dos décadas en el espacio profundo. ¿Algo más? Sí, se me olvidaba. El curio-244 es mucho más difícil y caro de producir que el plutonio-238, que ya es decir.

RTG SNAP-27 de las misiones Apolo (NASA).

Pequeño RITEG ruso para la sonda Mars 96 (NPO Lavochkin).

Si has llegado a este punto, querido lector, quizá te estés preguntando cómo podemos fabricar estos isótopos. El plutonio-238 se produce en un reactor nuclear irradiando con neutrones una muestra de neptunio-237. Por contra, para fabricar curio-244 tenemos que irradiar plutonio-239 (¡de uso militar!) o americio-241, un proceso más largo y costoso.

Ahora bien, puede que pienses que el neptunio-237 o el americio-241 no son isótopos muy comunes. Parafraseando a Doc Brown, evidentemente no están a la venta en ninguna farmacia. En el caso del americio-241 estamos ante un isótopo que se usa regularmente en detectores de humo de todo el mundo y la producción mundial puede alcanzar varios kilogramos al año. Sin embargo, el neptunio-237 es mucho más difícil de encontrar. Aunque se pueden hallar trazas en el mineral de uranio natural, lo cierto es que la mayoría del neptunio-237 se obtiene en reactores nucleares. Actualmente los EEUU ya no producen neptunio-237, pero poseen suficientes reservas para crear plutonio-238 durante décadas, a pesar de no ser un proceso sencillo.

Articulo completo en:

http://danielmarin.blogspot.com.es/2013/10/por-que-las-sondas-espaciales-usan.html?utm_source=feedburner&utm_medium=email&utm_campaign=Feed:+blogspot/sTPCp+(Eureka)