NASAの火星探査車は米国産プルトニウムで動く

NASAは木曜日、火星における古代生命の痕跡を探すミッションに向けて、新型火星探査車「パーセベランス」を打ち上げる予定だ。これはNASAがこれまでに打ち上げた火星探査車の中で最大かつ最も自律的な探査機であり、また、完全にアメリカ製のプルトニウムで稼働する初の探査機でもある。

パーセベランスの心臓部には、ビール樽ほどの大きさの小型「核電池」、放射性同位元素熱電発電機（RTG）が搭載されています。地球上で発電する原子炉とは異なり、RTGは発電のために核分裂反応を開始したり維持したりする必要がなく、可動部品すらありません。プルトニウム238の崩壊によって発生する自然熱を受動的に回収し、それを電力に変換します。RTGは数十年にわたり宇宙船にエネルギーと熱を確実に供給することができ、1970年代後半に打ち上げられたプルトニウムを燃料とする2機のボイジャー探査機は、今も星間空間から通信を続けています。また、20回以上のNASAの深宇宙ミッションにおいて、RTGは主力電源となっています。

「プルトニウム238はプルトニウムの特殊な同位体で、主にアルファ線によって崩壊するため、大量の熱を発生します」と、オークリッジ国立研究所（現在NASA向けのプルトニウム製造を担当）のプルトニウム供給プログラムマネージャー、ロバート・ワム氏は語る。「パーセベランスのような小型宇宙船には、核分裂エネルギーは必要ありません。必要なのは熱崩壊だけです。」

パーセベランスは、原子力を主電源とする火星探査車としては2台目となる。NASAの最初の3台の探査車、ソジャーナ、スピリット、オポチュニティはいずれも太陽光発電を採用していたが、パネルに十分な量の塵が積もると完全に電力を失うリスクがあった。2012年に火星に到着したキュリオシティ以降、NASAのエンジニアたちは探査車の主電源を原子力に切り替えた。当時、宇宙ミッション用の核燃料の米国における備蓄は減少しつつあり、米国内に核燃料を製造できる施設は一つもなかったことを考えると、これは大胆な選択だった。

プルトニウム238は核兵器には使用されていません（姉妹同位体であるプルトニウム239が使用されています）。しかし、1980年代後半に冷戦が終結すると、米国は軍縮議定書を遵守するため、あらゆる種類のプルトニウムの製造を停止しました。「プルトニウム238のほとんどはサバンナ・リバー・サイトからのものでした。当時、そこは国立研究所ではなく防衛施設でした」とワム氏は述べ、かつて米国の核兵器用物質の大部分を生産していたサウスカロライナ州の施設を指しています。現在、サバンナ・リバー・サイトは、これらの活動から生じた核廃棄物が敷地内に埋められたため、地球上で最も汚染された場所の一つとなっています。

米国がプルトニウム事業から撤退した際、NASAには将来のあらゆるミッションに配給するための数十キログラムのプルトニウム238が残されました。これは決して多くはありませんでした。パーサヴィアランス探査車だけでも約5キログラムのプルトニウムを使用しています。いずれこの備蓄は枯渇する運命でした。米国科学アカデミーの2009年の報告書では、米国のプルトニウムはあと数回の深宇宙ミッションにしか使用できないと予測されていました。そのため、米国には受け入れがたい選択肢がいくつか残されていました。太陽系外縁部の探査を断念するか、海外からプルトニウムを購入するか、国内でプルトニウムを再び製造するかです。

2011年にキュリオシティが打ち上げられた際、その核電池にはロシア産のプルトニウムが搭載されていました。アメリカの主要宇宙ミッションにロシアの燃料を使用するという、見栄えの悪い行為は、NASAを地政学的な変動にさらす結果となりました。数年前、クレムリンはプルトニウム購入契約が再交渉されるまでNASAにプルトニウムを供給するという合意を破棄していました。一方、米国のすべての核燃料製造を監督するエネルギー省は、国内のプルトニウム生産再開のための資金配分を議会に何年もロビー活動を続けていました。当初の構想は、費用をNASAとエネルギー省で均等に分担することでしたが、毎回議員らは要求を拒否していました。

プルトニウム不足への懸念が高まる中（ロシアでもプルトニウムが不足していた）、NASAの政策立案者は、NASAが単独で費用を負担することを決定しました。そして2011年以降、NASAはテネシー州にある米国エネルギー省オークリッジ国立研究所でのプルトニウム生産コストのほぼ全額を負担してきました。この投資はすぐに成果を上げました。2015年までに、オークリッジの化学者たちは、米国で約30年ぶりにプルトニウム238のサンプルを生産しました。同時に、研究所はNASAの将来の需要を満たすのに十分なプルトニウムを生産できるように、自動化生産システムに多額の投資を行いました。しかし、ロボットを用いてもプルトニウム238の生産は手間がかかり、オークリッジに加えてさらに2つの国立研究所が関与しています。

このプロセスは、アイダホ国立研究所の研究者が放射性金属酸化物であるネプツニウム237をテネシー州に送るところから始まる。そこでは、自動機械がこれを鉛筆の消しゴム大のペレットに圧縮する。次に、このペレット52個をターゲットと呼ばれる金属棒に積み重ね、オークリッジまたはアイダホ国立研究所の原子炉に配置して中性子を照射し、プルトニウムを生成する。数カ月間冷却した後、プルトニウムはニューメキシコ州のロスアラモス国立研究所に輸送され、そこで別の機械が小さなプルトニウムペレットを圧縮してマシュマロ大の大きなペレットを形成する。次に、ペレットはイリジウム製のケースに収められる。イリジウムは事実上破壊できない金属であり、探査機打ち上げ時の事故の際に放射能汚染を防ぐことができる。最後に、装甲プルトニウムはアイダホ国立研究所に輸送され、そこで32個のペレットが探査車の原子力電池に装填されてから車両に取り付けられる。

現在、オークリッジ研究所は年間3.5ポンド（約1.4kg）のプルトニウム生産目標の約半分しか達成できていない。ワム氏と彼の同僚たちは、この目標を2020年代半ばまでに達成することを計画している。「私たちがやっているのは、NASAが今後10年から20年の間に開発するあらゆるプロジェクトに十分な量のプルトニウムを供給することだけです」とワム氏は言う。

パーサヴィアランス探査車は、国立研究所で生産された新しいプルトニウム238を使用するNASA初のミッションですが、これが最後ではありません。土星最大の衛星タイタンの表面で生命を探すドラゴンフライ・ミッションのような、将来の原子力深宇宙ミッションも、この新しい生産ラインから燃料を使用する予定です。NASAは原子力ロケットや月面発電所用の小型原子炉の稼働開始に取り組んでおり、パーサヴィアランスの打ち上げは、宇宙におけるアメリカの原子力ルネッサンスの幕開けとなる可能性を秘めています。

2020年7月30日更新：サバンナ川サイトはジョージア州ではなくサウスカロライナ州にあります

WIREDのその他の素晴らしい記事

近所の犯罪を報告するアプリ「Citizen」
トランプ大統領はファーウェイとの戦いに勝利できるのか？次はTikTokか？
2要素認証でアカウントを安全に保つ方法
このアルゴリズムは医師に代わるものではなく、医師をより良くするものである
水素革命はゴミ捨て場から始まるのか？
👁 AIが生み出す魔法の数は今後減少するでしょう。さらに、最新のAIニュースもチェックしましょう
🎙️ 未来がどのように実現されるかをテーマにした新しいポッドキャスト「Get WIRED」をお聴きください。最新エピソードを視聴し、📩ニュースレターに登録してすべての番組をチェックしましょう。
🏃🏽‍♀️ 健康になるための最高のツールをお探しですか？ギアチームが選んだ最高のフィットネストラッカー、ランニングギア（シューズとソックスを含む）、最高のヘッドフォンをご覧ください