Клаус Гофман
МОЖНО ЛИ СДЕЛАТЬ ЗОЛОТО?
Глава 7.
ИССЛЕДОВАНИЯ И ОТВЕТСТВЕННОСТЬ - СЕГОДНЯ И В БУДУЩЕМ
Искусственные элементы в исследовании Космоса
Для чего нужны трансураны, а
также другие искусственные элементы? Стоят ли они действительно таких огромных
затрат для их исследования и производства?
Технеций (Тс),
первый искусственный элемент в периодической системе, завоевал широкие области
применения. В настоящее время его получают в килограммовых количествах из
радиоактивных отходов атомной промышленности. Когда в Соединенных Штатах было
начато коммерческое производство и использование технеция, то цена за 1 г за
несколько лет упала с 17 000 до 90 долларов. Теперь технеций применяют в
медицине как ядерное фармацевтическое средство для радиографии различных
органов с целью проверки их функциональной деятельности. Таким путем можно
диагностировать также раковые заболевания. Вводимый для этого изотоп 99Тс,
вследствие малого периода полураспада, равного 6 ч, приходится изготовлять в
изотопном молибденовом генераторе непосредственно перед использованием.
Поговаривают о технеции как о возможном катализаторе
для химической промышленности. Однако самые большие его достоинства заключаются
в защите от коррозии. Пертехнаты являются мощными ингибиторами
коррозии. Такое открытие сделал американец Картледж
в начале 1955 года. Он обнаружил, что добавка уже 0,00005% технеция прекращает
коррозию стали и железа в воде.
Прометий (Pm), второй искусственный элемент, также приобрел значение
в технике. Бета-излучатель прометий-147 в качестве заменителя радия применяют
для изготовления фосфоресцирующих веществ, которые используют, например, для
контрольных приборов на борту самолетов. Прометий нужен также для измерения
радиоактивным методом толщины фольги и листового стекла. Однако наиболее важным
применением этого элемента является его способность быть источником ядерной
энергии: он, как все радиоактивные бета-излучающие
элементы, ионизирует пограничный слой полупроводников, в результате чего
возникает ток. Такое явление называют бета-вольтэффектом.
Оксид прометия-147 массой в 24 г, запрессованный под
давлением в платиновую капсулу, дает энергию в 8 Вт. В настоящее время изготовляют
минибатареи из прометия-147 размером не более двухкопеечной монеты. Длительность их работы
ограничена лишь периодом полураспада изотопа. Последний
составляет два с половиной года.
Альфа-излучающие
трансураны по своей природе
способны выделять значительную тепловую энергию. Поэтому препараты кюрия сильно
фосфоресцируют и такого термического свечения достаточно для того, чтобы их
можно было сфотографировать в темноте в собственном излучении.
Водные растворы, содержащие несколько миллиграммов
соли кюрия на литр, закипают сами собой. Они выглядят, как искрящееся
шампанское,- завораживающее зрелище. При работе такие растворы необходимо
непрерывно охлаждать. Таблетки из нескольких граммов оксида кюрия постоянно
раскалены, температура их поверхности выше 1200 °С!
Когда в 1947 году впервые получили кюрий в
"значительных" количествах, этот мировой запас состоял из крошечной
пылинки гидроксида кюрия, едва видимой невооруженным
глазом. В настоящее время кюрий получают в килограммовых количествах. По своей
удельной теплотворной способности, равной 123 Вт/г, кюрий-242 с периодом
полураспада 162 дня превосходит все другие трансураны. Кюрий-244 выделяет лишь
2,9 Вт/г, но зато обладает большей продолжительностью жизни (период полураспада
17,6 лет). Плутоний-238, выделяющий энергию в 0,46 Вт/г, имеет почтенный период
полураспада в 88 лет.
Из этих альфа-излучателей
с помощью термоэлементов получают ток. При установке таких термоионных
изотопных батарей целиком руководствуются
их назначением. Если желательны долгоживущие источники
энергии, например для измерительных или запускаемых в космос приборов, для
снабжения током светящихся буев и автоматических метеостанций либо для обогрева
одежды водолазов или космонавтов, то предпочтителен кюрий-244 или плутоний-238.
Если же, напротив, требуется на короткое время выработка больших количеств
энергии, то выгоднее батарея из кюрия-242.
Обычно атомные батареи применяют
повсеместно в тех случаях, где эти носители энергии могут проявить свои
поразительные свойства: они занимают минимальный объем, не нуждаются в уходе и
надежны даже в экстремальных условиях. Предпочтительнее всего использовать их в
космических путешествиях.
Когда 4 октября 1957 года в СССР был выведен на орбиту первый искусственный
спутник Земли, то его химические батареи могли давать энергию в течение 23-х
дней. После этого мощность их была исчерпана. Напротив, батареи из
радиоактивных нуклидов имеют совершенно иные резервы мощности.
В 1961 году такая батарея типа SNAP (System for nuclear
auxiliar Power ) впервые установлена США на борту навигационного спутника
"Транзит". Поставщиком энергии служил плутоний-238,
теплота которого термоэлектрически превращалась в
ток. С тех пор в космических полетах не раз использовали атомные батареи,
Советский Союз - в спутниках типа "Космос".
В США, например, метеоспутник "Нимбус", который вращается вокруг Земли с мая 1968
года, имеет батарею на плутоний-238 мощностью 60 Вт. Американский лунный зонд
"Сарвейор", который в 1966 году передал по
радио на Землю первый химический анализ лунного грунта, обладал энергетической
установкой в 20 Вт, питаемой 7,5 г кюрия-242. Известной стала
мини-электростанция SNAP 27, мощность которой (73 Вт)
обеспечивается 4,3 кг плутония-238. Ее размеры составляют 45 X 40 см. 12 ноября
1969 года астронавты "Аполлона 12" установили SNAP 27 на Луне. Из
соображений безопасности на время космического полета американские космонавты
закрепили плутониевый стержень, имеющий температуру 700 °С,
на наружной стенке лунного корабля. Только после посадки они поместили его
внутрь генератора.
SNAP 27 сразу стали давать электрический ток, а
позднее - снабжать энергией оставленную на Луне
измерительную аппаратуру.
Еще раньше, при первой посадке на Луну, американцы
использовали источники энергии из плутония-238. Такие батареи помещали в
измерительные приборы, и они гарантировали их безупречную работу, даже при тех
резких перепадах температур, которые существуют на спутнике нашей Земли. В
полетах космических кораблей "Аполлон" источник энергии из 570 г
плутония-238 обеспечивал регенерацию питьевой воды. С его помощью американские
астронавты могли ежедневно регенерировать 8 л воды.
Исследовательский корабль "Луноход",
спущенный на поверхность Луны Советским Союзом в ноябре 1970 года, был
обеспечен радиоактивными изотопами для регулировки температуры.
Источники энергии, снабженные долгоживущими изотопами,
особенно необходимы для космических зондов, находящихся в "дальних
странствиях" к удаленным планетам. Поэтому американские зонды
"Викинг", которые были высажены на Марс в июле и сентябре 1976 года с
целью поисков там разумной жизни, имели на борту два радиоизотопных генератора
для обеспечения энергией спускаемого аппарата. Космические
станции вблизи Земли, такие, как "Салют" (СССР) и "Скайлэб" (США), получают энергию от солнечных батарей,
питаемых энергией Солнца. Однако зонды для Юпитера нельзя оснащать
солнечными батареями.
Излучения Солнца, которое получает зонд вблизи
далекого Юпитера, совершенно недостаточно для обеспечения прибора энергией.
Кроме того, при космическом перелете Земля - Юпитер требуется преодолеть
огромные межпланетные расстояния при продолжительности полета от 600 до 700
дней. Для таких космических экспедиций основой удачи является надежность
энергетических установок.
Поэтому американские зонды планеты
Юпитер - "Пионер 10", который стартовал в феврале 1972 года, а в
декабре 1973 года достиг наибольшего приближения к Юпитеру, а также его
преемник "Пионер II"-были оснащены четырьмя мощными батареями с
плутонием-238, помещенными на концах кронштейнов длиной в 27 м. В 1987 году
"Пионер 10" пролетит мимо самой удаленной от Земли планеты - Плутона,
а затем это первое земное космическое тело
покинет нашу Солнечную систему, имея на борту химический элемент, искусственно
полученный на Земле.
Перспективно применение искусственных элементов для
снабжения энергией сердечных регуляторов. От
таких батарей требуется, чтобы они периодически посылали сердечной мышце
электрические импульсы. Применявшиеся до сих пор химические батареи неизмеримо
больше атомных по размерам и работают только два-три года. Продолжительность
работы атомных сердечных регуляторов с плутонием-238 оценивают не менее чем в
десять лет. Следовательно, при неблагоприятных обстоятельствах пациент с
больным сердцем должен подвергаться хирургическому вмешательству каждые десять
лет.
К атомным регуляторам предъявляются особенно жесткие
требования по технике безопасности, чтобы ни при каких обстоятельствах
чрезвычайно токсичный плутоний не смог вырваться наружу.
В 1970 году французские врачи имплантировали двум
людям сердечные регуляторы,
которые весили всего по 40 г. Требуемую мощность в 200 мкВт обеспечивали 150 мг
плутония-238. С тех пор эти регуляторы поддерживают сердечную деятельность
обоих пациентов. Столь убедительный успех создал целую медицинскую школу.
Медики имплантируют сердечные регуляторы из плутония-238 или прометия-247, в
последние годы также в Советском Союзе и Польше.
Изотоп плутония 238Pu
оправдал себя и для других медицинских целей. Он служит источником
энергии для "искусственного
сердца" - насоса для крови, спасителя жизни при остановке
кровообращения. Элемент плутонийвсе
больше делается похожим на двуликого Януса - он в равной мере может внушать как
надежды, так и страх.