Am 25. August 2012 , etwa 18 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt, verließ die NASA-Sonde Voyager 1 die Heliosphäre und ging mutig dorthin, wo noch kein Objekt zuvor gewesen war. Durch das Überqueren dieser Grenze reiste Voyager 1 über das Sonnensystem hinaus und betrat den interstellaren Raum , eine historische Premiere.
Schauen Sie sich die unterste Reihe eines (traditionellen) Periodensystems an und Sie werden das Element finden, das dieses kosmische Abenteuer möglich gemacht hat: Plutonium.
Was ist Plutonium?
Plutonium wurde erstmals in den 1940er Jahren identifiziert und wurde sowohl für kreative als auch für destruktive Zwecke verwendet. Der verstorbene Physiker John Goffman nannte Plutonium einmal „das Element des Herrn der Hölle“. Ein Linguist könnte geneigt sein, zuzustimmen.
Aber zuerst ein bisschen mehr zu diesem Element. Jedes Plutoniumatom enthält 94 Protonen. Im Gegensatz dazu gibt es nur 92 Protonen pro Uranatom und 93 in jedem Neptuniumatom.
Da diese beiden Elemente beide nach den alten Göttern – und Planeten – Uranus und Neptun benannt wurden , wurde Plutonium gleich behandelt.
"Plutonium wurde Ende 1940 von Glenn Seaborg und Mitarbeitern am Berkeley Laboratory (CA) entdeckt", sagt Peter C. Burns, Chemiker an der University of Notre Dame, in einer E-Mail.
Zehn Jahre zuvor hatten Astronomen einen neuen Zwergplaneten in der Nähe von Neptun beobachtet. Zu Ehren des römischen Gottes der Unterwelt wurde es "Pluto" genannt. Und Plutonium leitet seinen Namen von diesem Himmelskörper ab.
Ursprünglich konnten Seaborg und Co. Plutonium mithilfe eines Zyklotron-Teilchenbeschleunigers in Berkeley herstellen. Mit diesem Gerät wurden "Deuteronen" genannte Teilchen auf eine Uranprobe geschossen. Das Experiment erzeugte eine kleine Menge Neptunium, das dann durch einen Zerfallsprozess zu Plutonium wurde .
Die erste gewogene Plutoniumprobe wurde am 20. August 1942 an der University of Chicago hergestellt. Zu diesem Zeitpunkt hatten einige Parteien das militärische Potenzial des Elements erkannt.
Plutoniumatome haben immer 94 Protonen. Aber die Neutronenzahl kann variieren, und Chemiker bezeichnen diese Variationen als „ Isotope “. Uran hat auch Isotope. Eines davon namens Uran-235 (U-235) wurde bald als potenzielle Brennstoffquelle für Atombomben identifiziert. Kurz nach seiner Entdeckung kam Plutonium als eine weitere Möglichkeit, Atomwaffen anzutreiben, ins Gespräch. Das Atomzeitalter sollte beginnen.
Heutzutage gibt es für alle praktischen Zwecke zwei Arten von Plutonium: Reaktorqualität und Waffenqualität. Plutonium war der Hauptbestandteil von "Fat Man", der Atombombe, die 1945 Nagasaki, Japan, dezimierte, Zehntausende von Menschen tötete und den Zweiten Weltkrieg effektiv beendete.
Plutonium und Waffen
Militärisch genutztes Plutonium wird aus Uranbrennstoff gewonnen, der zwei bis drei Monate lang in einem Plutonium-Produktionsreaktor bestrahlt wurde. Für die Herstellung einer Bombe werden etwa 22 Pfund (10 Kilogramm) fast reines Plutonium-239-Isotop (Pu-239) benötigt. Laut der World Nuclear Association erfordert diese Art von Bombe 30 Megawattjahre Kernreaktorbetrieb mit ständigem Brennstoffwechsel und Wiederaufbereitung des "heißen" Brennstoffs . Aus diesem Grund wird Plutonium "Waffenqualität" in speziellen Reaktoren hergestellt, die die Konzentration der höheren Isotope des Plutoniums erhöhen.
Die erste Atombombe Explosion auf der Erde fand am 16. Juli 1945 Es ist in New Mexico war, und es war stark genug , um 100 Meilen (160 Kilometer) entfernt zu spüren. Es war Teil des streng geheimen " Trinity Nuclear Test " des Manhattan-Projekts auf der Alamogordo Bombing Range. Das fragliche Gerät hatte einen Plutoniumkern; Für das Experiment wurden keine Atombomben auf Uranbasis eingesetzt.
Anschließend warfen die USA am 6. August 1945 eine U-235-Atombombe über der japanischen Stadt Hiroshima ab. Drei Tage später warfen die USA eine zweite Bombe mit dem Spitznamen "Fat Man" auf Nagasaki ab. Genau wie die Waffe, die in diesem Sommer in New Mexico getestet wurde, war die Nagasaki-Bombe auf Plutonium angewiesen.
„[Es] wird nie sicher sein, wie viele Menschen durch den Atomangriff auf Nagasaki gestorben sind“, berichtet die offizielle Website des US-Energieministeriums . Nach ihrer besten Schätzung starben "zunächst 40.000 Menschen, 60.000 weitere wurden verletzt". In den kommenden Monaten und Jahren könnte die Gesamtzahl der Todesopfer auf 140.000 oder mehr gestiegen sein. Der Nagasaki Peace Park veranstaltet jedes Jahr im August eine Zeremonie, um ihre Erinnerungen zu ehren.
Das größte Problem heute mit dem waffenfähigen Plutoniumvorrat ist, was damit zu tun ist. Es wird geschätzt, dass die USA derzeit 96,6 Tonnen (87,7 Tonnen) Plutonium haben – und ein Lagerproblem. Ein Großteil davon wird derzeit in einem Gebäude am Savannah River Site in South Carolina gelagert.
Plutonium und Macht
Heute stammt mehr als ein Drittel der in Kernkraftwerken erzeugten Energie aus Plutonium . Die Vereinigten Staaten haben jedoch keine Einrichtungen, die Plutonium als Energiequelle verwenden.
Das am häufigsten in einem Kernreaktor gebildete Plutoniumisotop ist Pu-239, das durch Neutroneneinfang aus abgereichertem Uran (U-238) entsteht. Bei der Spaltung kann Pu-239 so viel Energie haben wie angereichertes Uran (U-235), das auch in Atomwaffen verwendet wird .
In der Vergangenheit wurde ein anderes Plutoniumisotop, Pu-238, verwendet, um die Batterien in einigen kommerziellen Herzschrittmachern zu versorgen . Diese medizinischen Geräte kamen aus der Mode, als Lithium-betriebene Alternativen auf den Markt kamen.
Aber im Endeffekt bleibt Plutonium ein wertvolles Gut.
Plutonium und Deep Space
"Die bedeutendste, weniger bekannte Verwendung von Plutonium ist die Stromerzeugung während der Weltraumforschung", sagt Burns. "Plutonium-238 gibt beim radioaktiven Zerfall viel Wärme ab, und diese Wärme kann in einem thermoelektrischen Generator zur Stromerzeugung genutzt werden."
Pu-238 hat viele Eigenschaften, die das Isotop für Ingenieure, die für Raumfahrtagenturen arbeiten, sehr attraktiv machen . Zunächst einmal braucht man nicht viel davon, um viel Wärme zu erzeugen, die dann in Strom umgewandelt werden kann.
Dann gibt es die Halbwertszeit , eine Metrik, die Ihnen sagt, wie lange es dauert, die Hälfte der Atome in einem bestimmten radioaktiven Isotop zu zerfallen und sich in etwas anderes zu verwandeln. Mit einer respektablen Halbwertszeit von 88 Jahren kann Pu-238 Rover und Raumsonden jahrzehntelang am Laufen halten.
Weit weg von der Sonne, an Orten, an denen die Strahlen des Sterns schwach und schwach sind, werden solarbetriebene Satelliten nicht so gut funktionieren. Unterdessen müssen Mars-Rover, die auf Sonnenlicht angewiesen sind (wie der inzwischen nicht mehr existierende Opportunity-Rover), mit dem Staub von vorbeiziehenden Stürmen kämpfen, der ihre Panels ersticken und die Batteriefunktion beeinträchtigen kann.
Aus diesen Gründen eignet sich Pu-238 hervorragend für die Erforschung des Mars und des Weltraums. Bisher hat Pu-238 mindestens 30 US-Raumfahrzeuge angetrieben . Der Perseverance Rover , der im Februar 2021 auf dem Roten Planeten landete, verfügt über einen mit Pu-238 betriebenen Generator . Ebenso weit entfernte Raumschiffe wie Voyager 1 und Voyager 2 , die seit 1977 das Sonnensystem ( und darüber hinaus ) bereisen .
Plutonium und Toxizität
Plutonium ist radioaktiv, obwohl Sie ihm wahrscheinlich nie ausgesetzt sein werden. Robert M. Hazen von der Carnegie Institution for Science sagt, dass es "keine natürlichen Quellen" für Plutonium gibt. „Es muss durch Brutreaktoren hergestellt werden, also ist alles Plutonium, das auf der Erde verwendet wird, von Menschen gemacht“, erklärt er per E-Mail.
Es kann zwar über eine Industrieanlage oder aus einem Behälter in die Umwelt gelangen, jedoch sind die Plutoniumgehalte in Luft, Wasser, Boden und Nahrung äußerst gering. Wenn Sie jedoch einer Exposition ausgesetzt sind, geschieht dies wahrscheinlich durch das Einatmen von ausgestrahlten Aerosolen oder durch Hautkontakt. Und viele Faktoren bestimmen, ob die Exposition Ihnen schadet, einschließlich wie viel, wie lange und wie Sie mit dem Plutonium in Kontakt gekommen sind.
Wenn Sie es einatmen, wird etwas Plutonium in Ihren Lungen eingeschlossen und wandert in Ihre Knochen und Leber. Wenn Sie es über die Nahrung schlucken, kann sich eine Spurenmenge auch auf Ihre Knochen und Leber ausbreiten. Wenn Sie Plutonium berühren, gelangt nur sehr wenig – wenn überhaupt – in Ihren Körper, aber es kann die Haut, die damit in Kontakt kam, verbrennen. Plutonium ist also zwar ein radioaktives Element, aber weit davon entfernt, "die giftigste Substanz zu sein, die dem Menschen bekannt ist", wie der Aktivist Ralph Nader einst verkündete .
DAS IST JETZT INTERESSANT
Glenn Seaborg war der erste Mensch, dem zu seinen Lebzeiten ein neu entdecktes Element benannt wurde, als Seaborgium – Element 106 im Periodensystem – in den 1990er Jahren getauft wurde .
