Különleges reaktor segíthet feltárni, van-e élet a Jupiter holdjának jégkérge alatt

Különleges hibrid reaktor kezdeti fejlesztésére adott január elején 175 ezer dollárnyi támogatást a NASA, 13 olyan innovatív koncepcióval együtt, amik jövőbeli küldetésekhez szükséges technológiákat dolgoznak ki. A reaktor tervért felelős Theresa Benyo, a NASA Glenn Kutatóközpontjának fizikusa azt reméli, hogy egy ilyen energiaforrással felszerelt űrszonda választ adhat arra a kérdésre, hogy létezik-e élet a Naprendszerben a Földön kívül.

A legkomolyabb esély erre a kutatók szerint olyan külső naprendszerbeli óriásbolygók körül keringő holdakon van, amelyek felszíne alatt globális óceán húzódik. Ilyenek a Jupiter Europa és Ganymedes, valamint a Szaturnusz Enceladus és Titán holdjai, amiket az amerikai űrügynökség „óceánvilágoknak” nevez. A Föld felszíni vízkészletének térfogatát akár többszörösen meghaladó óceánok felderítését jelentősen megnehezíti, hogy azokat néha 40 kilométer vastag jégtakaró választja el a kíváncsi szondáktól és kutatóktól.

photo_camera Az Europa jégkérgén átolvadó kriobot közvetlenül tudná vizsgálni a hold közel 100 kilométer mély óceánját Illusztráció: NASA

Az egyik megoldás, hogy megvárjuk, amíg az óceán vize elérkezik hozzánk a jégkéreg alól előtörő gejzírek formájában. Ezek létezésére az Enceladus esetén egyértelmű bizonyíték van, olyannyira, hogy a NASA 2004 és 2017 között a Szaturnuszt és környékét vizsgáló Cassini űrszondája többször át is repült rajtuk. A kutatók a szonda INMS tömegspektrométerének méréseivel bepillantást nyertek a titokzatos óceán világába, és az adatok mélytengeri hőforrások és metán jelenlétére utalnak. Az egyszerű szerves molekulának vulkáni aktivitáshoz, geokémiai folyamatokhoz vagy egyes kutatók szerint anyagcseréjük melléktermékeként a földi metanogén archeákhoz hasonlóan metánt előállító mikrobákhoz lehet köze.

A Hubble űrteleszkóp és a több mint 7 évig a Jupiter körül dolgozó Galileo űrszonda mérései alapján valószínű, hogy a Jupiter Europa holdján is vannak időről időre hasonló kitörések, amik a felszín alól vízpárát juttatnak a világűrbe. Ezeknek a vizsgálata lesz a NASA jövőre induló, a Perseverance marsjáróhoz hasonlóan nagy költségvetésű és csúcstechnológiás műszerekkel szerelt Europa Clipper szondájának egyik fő célja. A több mint 4 milliárd dolláros költségű űreszköz megerősítheti a kitörések létét, meghatározhatja, hogy a jégkéregbe zárt víz vagy az alatta található óceán-e a forrásuk, és a Cassinihez képest továbbfejlesztett tömegspektrométerével az óceán összetételéről is nyújthat információt. Szintén többször vizsgálja majd az Europát küldetése során az európai űrügynökség, az ESA idén áprilisban induló Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) űrszondája is. ( A Jupiternek ma 89 holdja ismert, köztük a négy legnagyobb, a Galileo Galilei által a 17. század elején felfedezett Io, Europa, Ganymedes és Callisto.)

photo_camera Az Europa felszíne a JunoCam felvételén Fotó: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill

A holdak körüli mintagyűjtésnél nagyobb áttörést ígér az óceánok közvetlen, helyszíni vizsgálata, egy a jégkérgen magát átfúró vagy átolvasztó kriobot szondával. A legvastagabb részén 4,7 kilométeres kelet-antarktiszi jégtakaróhoz képest az Europa jégkérge a legjobb becslések szerint 10-30 kilométer vastag, és a rajta való áthatolás szinte felfoghatatlan mérnöki kihívást jelent. A legpraktikusabbnak a magukat jégen átolvasztó kriobotok tűnnek, amik működése rendkívül sok energiát igényelne.

Mit tud a különleges reaktor?

Bár felmerültek olyan alternatív megoldások, mint a VALKYRIE, ami egy száloptikán keresztül, a felszínről közvetített nagy energiájú lézer infravörös fényével olvasztaná bele magát a jégbe, a legtöbb kriobotterv nukleáris áramforrással vagy atomreaktorral számol. Ez nem is lenne példátlan, hiszen a Curiosity és Perseverance marsjárókat és a külső naprendszerbeli szondákat radioizotópos termoelektromos generátorok (RTG), vagyis nukleáris áramforrások működtetik.

Ezek a plutónium 238-as izotópjának radioaktív bomlásából nyert hőt alakítják elektromos energiává. Az izotópból az elmúlt évtizedekben a NASA nukleáris áramforrást igénylő küldetéseit veszélyeztető hiány keletkezett, amit csak az utóbbi időben kezdett megoldani az USA Energiaügyi Minisztériuma (DOE). Szintén jártak már a világűrben maghasadáson alapuló atomreaktorok, először az amerikai SNAP-10A tesztműholdon, majd a szovjet USZ-A felderítő műholdakon, amik urán 235-ös hasadóanyagból állítottak elő elektromos energiát.

A hagyományos atomreaktoroknál kisebb mérete és tömege miatt jobb megoldást jelenthet egy úgynevezett rácsos összetartású fúzióra (lattice confinement fusion) épülő hibrid reaktor. A koncepció a fejlesztői szerint elég hulladékhőt tudna előállítani egy kriobotnak, hogy az átolvassza az „óceánvilágok” jégkérgét. A NASA szerint a módszernél a fúziós üzemanyagként szolgáló hidrogénizotóp, a deutérium egy szilárd fémrács atomjai közötti térben éri el a fúziót, anélkül, hogy azt több millió fokos hőmérsékletre kellene hevíteni. A rövid közlemény szerint Benyóék ezt a reakciót arra használnák, hogy szegényített uránnál vagy tóriumnál maghasadást érjenek el egy olvadt lítiummátrixon belül.

A rácsos összetartású fúzióban a deutériummal töltött fémrácsban az eljárás gammasugárzás révén nagy energiájú és mikroszkopikus skálán magas hőmérsékletű környezetet hoz létre, amiben az egyes atomok fúzióhoz hasonló kinetikus energiaszinteket érhetnek el. A reakciót és addigi kísérleteik eredményeit a kutatók 2020-ban két tanulmányban ismertették, amik a Physical Review C folyóiratban jelentek meg.

„Az eddigi eredmények megnyitják az utat az előtt, hogy a tudományos közösség tovább vizsgálja ezt a fúziós reakció elindítására szolgáló új módszert [a rácsos összetartású fúziót]. Ugyanakkor ahhoz, hogy értelmezhető mértékű energiát tudjunk előállítani, jelentősen meg kell majd növelni a reakciósebességet. Ez több, jelenleg vizsgálat alatt álló technikával elérhető lehet” – mondta Bruce Steinetz, a Glenn Kutatóközpont mérnöke. A NASA bolygókutatási programjának vezető fejlesztőmérnöke, Lonard Dudzinski szerint több tudományterületet egyesítő megközelítésre lesz szükség ahhoz, hogy eltűnjenek a rácsos összetartású fúzió gyakorlati alkalmazása előtt álló műszaki kihívások.

De mikor szállunk le az Europára?

Ha a következő évtizedekben ez a hibrid reaktor meg is oldja a hő- és energiaforrás problémáját, a kriobot koncepció előtt áll még egy akadály, méghozzá az, hogy miként tudná tartani a robot a kapcsolatot a Földdel több tíz kilométernyi jég alól. Erre Wes Patterson, a Johns Hopkins Egyetem Alkalmazott Fizikai Laboratóriumának (APL) szakembere és kollégái egy bizonyos időközönként a szonda által a jégben elhelyezett átjátszóállomásokra épülő koncepciót dolgozott ki. Ezek a felszínen található leszállóegység és a kriobot között közvetítenék a rádióhullámú információt, működésüket pedig apró nukleáris áramforrások biztosítanák.

photo_camera Fantáziarajz a 2017-es Europa Lander leszállóegység koncepcióról az Europa hold felszínén Illusztráció: NASA/JPL-Caltech

Az Europa óceánját felderítő kriobot előtt először a hold felszínről kell többet megtudnunk, amihez a Europa Clipper mellett egy leszállóegységre is szükség lesz. A 2017-ben a NASA JPL kutatóintézete által kidolgozott Europa Lander szonda legalább egy hétig működne a Jupiteren uralkodó extrém sugárzási környezetben. A leszállóhely kamerákkal történő felderítése és a jégkéreg, valamint az óceán szeizmográfos vizsgálata mellett a leszállóegység mintákat is venne a jégből, amiket fejlett laboratóriumaiban vizsgálna, hasonlóan a Curiosity marsjáróhoz. Ha a küldetés megvalósítását a NASA a közeljövőben jóváhagyja, és az amerikai kongresszus is rábólint, a leszállóegység legkorábban 2030-ban indulhat el.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: