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livello elementare.
ARGOMENTO: ASTRONOMIA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: americio, plutonio, batterie
Ricercatori europei stanno sviluppando nuove batterie che utilizzeranno un isotopo radioattivo dell’Americio (241Am), per alimentare i sensori delle future missioni delle sonde e dei lander impiegati per l’esplorazione e la colonizzazione del Sistema Solare. L’americio è un elemento metallico radioattivo prodotto artificialmente dal bombardamento del plutonio con neuroni. Fu scoperto nel 1945 da G.T. Seaborg e R.A. James e presenta tre isotopi importanti: Americio 241 (241Am), Americio 242 (242Am) e Americio 243 (243Am). A temperatura ambiente è solido, di colore bianco – argenteo, e presenta una temperatura di fusione di 994 °C e temperatura di ebollizione di 2607 °C, con una conducibilità elettrica di 0.022 x 106 cm x ohm. L’isotopo 241Am trova il suo maggiore impiego nei rilevatori di fumo ed esistono in commercio due tipi di sensori antincendio all’americio:
– a cella fotoelettrica che, se colpiti da raggi luminosi, producono corrente;
– a ionizzazione, che si basano sulle radiazioni alfa emesse dall’americio.
| L’americio 241Am è una sorgente importante di radiazioni ionizzanti ed in passato era usato per costruire alcuni tipi di parafulmine (grazie alla sua capacità di ionizzare l’aria circostante, favorendo così il passaggio di corrente) e come sorgente portatile di raggi gamma per l’uso in radiografia. |
Gli studi sembrano promettenti e l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) spera che le prossime missioni inerenti il programma Argonaut Moon potranno essere alimentate da batterie basate su questo elemento radioattivo. Questa nuova tecnologia consentirà, si spera entro la fine del decennio, di alimentare le future sonde spaziali con tecnologie diverse dai pannelli solari che necessitano, per poter funzionare, di un’esposizione alla luce solare.
L’Heracles European Large Logistic Lander del programma Argonaut Moon consentirà una serie di missioni dell’ESA sulla Luna come la consegna di merci, la restituzione di campioni o la prospezione di risorse. L’immagine pittorica mostra un’ipotetica configurazione del carico del lander, che consegna rifornimenti, rover o robot sulla superficie lunare in supporto al programma Artemis della NASA – da link
Il Progetto ENDURE
Durante la riunione ministeriale dell’ESA, tenutasi a Parigi il 22-23 novembre 2022, i ministri hanno concordato di finanziare un programma da 29 milioni di euro chiamato European Devices Using Radioisotope Energy (ENDURE). Il principio è di sviluppare delle batterie di lunga durata alimentate da Americio 241 e da impiegare nelle missioni lunari dell’ESA previste nei prossimi anni ’30. “Se vogliamo avere autonomia nell’esplorazione, abbiamo bisogno di queste capacità“, ha affermato Jason Hatton, co-leader di ENDURE, con sede presso il Centro europeo di ricerca e tecnologia spaziale (ESTEC) a Noordwijk, nei Paesi Bassi.
Ma cos’è l’isotopo Americio 241?
Si tratta di un sottoprodotto del decadimento del plutonio, che sebbene sia per diversi motivi impiegato da molti anni industrialmente, non è mai stato utilizzato come combustibile (sicurezza, costi, etc.). I ricercatori ritengono che potrebbe essere una soluzione molto interessante per alimentare i sensori delle sonde spaziali in quanto fornirebbe energia anche quando l’energia solare non sarebbe sufficiente ad alimentare i pannelli solari delle navicelle spaziali (a causa di zone d’ombra o della distanza dal Sole).
Inizialmente l’ESA si era affidata a partner statunitensi e russi, che da tempo avevano utilizzato con successo batterie al plutonio-238 per alimentare i sensori delle loro missioni spaziali. Ad esempio, nel 2005, la NASA aveva impiegato batterie al plutonio per la sonda Huygens durante la sua discesa sulla luna di Saturno, Titano. Un materiale di successo che è diventato però raro e sempre più costoso da produrre. Di fatto il suo approvvigionamento dalla Russia è ormai difficile, se non impossibile, a causa del peggioramento dei rapporti con Mosca per la nota crisi internazionale. E’ necessario quindi trovare una soluzione alternativa.
Non è un problema nuovo
In realtà, l‘ESA aveva sollevato il problema sin dal 2014, quando il lander Philae, atterrando su una cometa, era rimasto operativo meno di tre giorni, essendo finito in un punto d’ombra che impediva la ricarica dei suoi pannelli solari.
Quali sono i vantaggi di impiegare l’Americio?
Il maggiore, rispetto al plutonio, è che è relativamente più economico (circa 1.500 dollari USA al grammo) e più abbondante, essendo possibile ricavarlo riutilizzando i rifiuti radioattivi. Produrre un watt di energia costa circa un quinto rispetto all’utilizzo del plutonio. L’americio è prodotto bombardando l’uranio o il plutonio con neutroni all’interno dei reattori nucleari ed è possibile ricavare da una tonnellata di combustibile nucleare esaurito circa 100 grammi di americio. I ricercatori del National Nuclear Laboratory (NNL) del governo britannico di Sellafield hanno dimostrato che l’americio può essere estratto dal combustibile nucleare utilizzato nelle centrali elettriche civili e trattato e trasformato in pellet di combustibile per costituire il nucleo di batterie nucleari.
L’americio ha un’emivita più lunga del 238plutonio, ovvero ha una resa maggiore dal punto di vista temporale, dura più a lungo ma fornisce meno energia per grammo. I prodotti di fissione dell’Americio possono trasferire la loro energia immagazzinata e generare l’elettricità attraverso un generatore magnetoidrodinamico. E’ stato valutato che 3,2 kg di Americio potrebbero fornire circa 140 chilowatt di energia durante un periodo di 80 giorni.
Una possibile applicazione
Nei prossimi tre anni, il team ENDURE svilupperà i primi prototipi che saranno testati in condizioni simili ad una missione spaziale nello spazio profondo. In collaborazione con il NNL, un team dell’Università di Leicester, Regno Unito, ha sviluppato due tipi di dispositivi di riscaldamento:
– un’unità a radioisotopi di americio in decadimento;
– generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) che utilizzano il calore per produrre elettricità creando una differenza di temperatura tra le piastre metalliche.
A causa dell’uso di questo materiale, altamente radioattivo, le unità saranno incapsulate in strati, tra cui alcuni in lega di platino, che sigilleranno l’americio, consentendo però al calore di fuoriuscire. La fase successiva del programma si concentrerà sui test di sicurezza, in modo che le unità di americio possano essere certificate per il lancio. Gli scienziati ritengono che, una volta sviluppato, un sistema di alimentazione di base potrebbe essere riutilizzato in tutte le missioni spaziali per le quali l’energia solare potrebbe non essere disponibile. È il caso delle lunghe notti sulla Luna (che durano 14 giorni terrestri) e delle spedizioni sui satelliti dei pianeti del Sistema Solare oltre Giove.
In sintesi, questa soluzione sembrerebbe percorribile e potrebbe aiutare la scienza a fare un nuovo passo avanti per la colonizzazione del sistema solare. Vedremo.
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