Se você deseja explorar o sistema solar externo, você precisa de plutônio.
Bem no fundo de algumas das sondas espaciais mais veneráveis da NASA estão corações cheios de plutônio que batem para aquecer e fornecer energia aos robôs, que incluem a espaçonave dupla Voyager, a Cassini antes de seu ousado mergulho pelos anéis de Saturno e a New Horizons percorrendo os escombros do Cinturão de Kuiper.
Mas, na esteira da Guerra Fria, os EUA pararam de produzir seu próprio plutônio. Por um tempo, a NASA poderia executar suas missões apenas com plutônio existente ou importado. Mas, graças a uma mudança na parceria da agência espacial com o Departamento de Energia, no verão passado, o plutônio americano fresco mais uma vez deixou a Terra dentro do rover Perseverance da NASA com destino a Marte – e mais missões farão isso nos anos que virão. E para os cientistas que se concentram no sistema solar externo, isso é vital.
“Nossa viagem para a descoberta requer que sejamos capazes de nos desvencilhar de nosso próprio sistema solar”, disse Abigail Rymer, física espacial do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins em Maryland e membro do Outer Planets Assessment Group que assessora a NASA. Space.com. “Precisamos poder levar nossa casa conosco; nosso fornecimento de energia não precisa depender de nossa própria estrela. Quanto mais avançamos, mais verdadeiro isso se torna.”
Existem apenas algumas maneiras conhecidas e confiáveis de alimentar uma espaçonave; plutônio e luz solar são as escolhas mais comuns. Mas à medida que uma sonda se move mais longe no sistema solar e mais longe do sol, a luz solar rapidamente perde sua energia: a espaçonave Juno da NASA orbitando Júpiter, por exemplo, exigiu avanços na tecnologia de energia solar para sobreviver sem tecnologia nuclear, disse Rymer.
Portanto, se você deseja enviar uma espaçonave aos planetas gigantes do nosso sistema solar e além, ou a outros lugares escuros, como as regiões permanentemente escuras nas profundezas das crateras próximas aos pólos da lua, provavelmente desejará a energia nuclear. Essa preferência não se refere apenas à luz do sol; a energia nuclear também ajuda a espaçonave a enfrentar ameaças como baixas temperaturas e alta radiação.
“Isso nos permite explorar onde a luz do sol não chega, mas também nos permite explorar ambientes hostis, e isso porque podemos levar nosso calor conosco”, June Zakrajsek, gerente do programa Radioisotope Power Systems (RPS) da NASA no Glenn Research Center em Ohio, disse à Space.com. “É a confiabilidade e esses tipos de fatores que são realmente importantes para nossas missões, e não poderíamos realizar algumas das missões sem eles.”
A próxima espaçonave movida a plutônio da NASA será a missão do helicóptero Dragonfly, lançada em 2027 para a estranha lua de Saturno, Titã, que a NASA diz receber cerca de 1% da luz solar que a Terra recebe. Por causa da fonte de energia nuclear do Dragonfly, a espaçonave provavelmente congelará até a morte na paisagem de metano líquido e penhascos de água gelada muito antes de ficar sem energia, disse Zakrajsek.
O Dragonfly pertence a uma classe de missões da NASA apelidada de Novas Fronteiras, o nível mais ambicioso da agência de propostas de expedição de ciência planetária que a NASA aceita de cientistas além de seus centros. O fato de a NASA ter considerado o Dragonfly – muito menos o selecionado – fala sobre o progresso da agência trabalhando com o Departamento de Energia para aumentar o suprimento de plutônio disponível para os projetistas da missão.
Na campanha de seleção para a missão anterior New Frontiers, disse Zakrajsek, a NASA estipulou que a espaçonave deveria operar sem energia nuclear, já que a agência não tinha certeza de que a parceria teria plutônio suficiente para fornecer uma nova missão. (A missão OSIRIS-REx para amostrar o asteróide próximo à Terra Bennu foi selecionada durante essa rodada.)
Zakrajsek chamou a disponibilidade de combustível para a seleção mais recente de “um grande negócio”. “O fato de não estarmos mais tomando decisões de limitação de missão com base em RPS [sistemas de energia de radioisótopos] é importante”, disse ela. “Parece estar deixando os cientistas um pouco mais felizes.”
A transição se deve, em parte, a uma decisão da NASA de avaliar anualmente suas necessidades de plutônio para a próxima década, disse ela, dando à parceria mais preparação para garantir o suprimento necessário. Isso também se deve à decisão do Departamento de Energia de produzir plutônio para espaçonaves em um ritmo constante – uma mudança radical em relação ao processo anterior.
“A NASA abordaria o departamento e nos informaria: ‘Ei, temos uma missão chegando'”, disse Tracey Bishop, subsecretária adjunta para programas de infraestrutura nuclear do Departamento de Energia, ao Space.com. “Tiraríamos o equipamento do modo de espera, iríamos contratar uma nova equipe, requalificaríamos equipamentos e processos, fabricaríamos combustível, apoiaríamos o desenvolvimento dos RPSs – e, uma vez que a missão terminasse, diminuiríamos as capacidades e os colocaríamos em modo de espera frio até a próxima adição. ”
Esse sistema foi projetado em parte porque as espaçonaves da NASA são o único uso do Departamento de Energia para este material em particular, óxido de plutônio, também chamado de plutônio-238. E espaçonaves podem não ser o que alguém pensa primeiro quando questionado sobre o plutônio. “Nosso uso é de longe o menos famoso das coisas para as quais o plutônio é usado”, disse Rymer. (O plutônio usado em armas nucleares e reatores inclui um nêutron extra em comparação com a variedade de voos espaciais.)
Mas em 2017, a NASA e o Departamento de Energia decidiram que o processo pára e vai era muito arriscado para a espaçonave que não pode ser lançada sem plutônio-238. Bishop disse que com o novo sistema de produção estável, a agência espera cortar até dois anos do cronograma de produção, que pode durar até uma década.
O plutônio a bordo do rover Perseverance mostra o impacto dessa nova abordagem. O Departamento de Energia não havia planejado fornecer combustível para aquela espaçonave em particular. Mas o primeiro plutônio do novo processo de produção estava pronto e precisava ser avaliado de qualquer maneira, então, uma vez que a agência determinou que atendia aos requisitos da NASA, os funcionários do programa decidiram ir em frente e terminar de preparar o material alguns anos antes do previsto para testar os sistemas, Bishop disse. Ela observou que o sucesso do projeto aumentou a confiança do Departamento de Energia de que ele pode atender às necessidades de combustível da NASA no futuro.
“É realmente fácil girar o botão um pouco se a projeção de uma missão mudar, em vez de o botão estar desligado e agora você tem que ligá-lo e esperar que ele aqueça e progrida no processo”, disse ela. “Agora é mais um ajuste fino.”
Enquanto o Departamento de Energia aumenta a produção de plutônio, a NASA está trabalhando no desenvolvimento da próxima geração de sistemas de energia que conterá esse plutônio, disse Zakrajsek, com trabalho focado em duas abordagens diferentes.
Um deles, chamado de fonte de energia de radioisótopo dinâmico, pode ser três ou quatro vezes mais eficiente do que o padrão atual, o gerador termoelétrico de radioisótopo multimissão (MMRTG). No entanto, o sistema dinâmico é complicado porque, como o nome sugere, ele incorpora partes móveis.
“O espaço é difícil, e é realmente difícil em sistemas que se movem”, disse Zakrajsek. A NASA está atualmente trabalhando no projeto de tal sistema, que poderia estar potencialmente pronto para um voo de teste na Lua perto do final da década, observou ela.
A segunda abordagem baseia-se no próprio legado da NASA, baseado nos primeiros sistemas de energia nuclear das espaçonaves. Este sistema seria uma versão aprimorada e mais eficiente das unidades RTG de Fonte de Calor de Uso Geral (GPHS) que voaram no Galileo, Cassini e New Horizons. Zakrajsek disse que esse tipo de fonte de energia seria particularmente atraente para missões maiores indo para Netuno ou Urano.
Coincidentemente, Rymer liderou uma equipe explorando como essa missão hipotética poderia estudar Netuno e sua maior lua, Tritão. Ela descreveu o processo desafiador de tentar “cortar cada watt e grama que pudermos” dos instrumentos para atender às restrições de oportunidades de lançamento e fontes de alimentação sem sacrificar os objetivos científicos.
“É um esforço enorme porque é uma das coisas que podemos controlar”, disse ela. “A física diz quanta energia você precisa para sobreviver para chegar ao seu alvo, mas temos cientistas e engenheiros que podem otimizar quanta energia você precisa usar quando chegar lá, então nos concentramos bastante nisso.”
Com base nas programações de produção atuais, se a única espaçonave anterior a usar energia nuclear fosse a missão Dragonfly, haveria – por pouco – plutônio suficiente para alimentar a hipotética missão Netuno / Tritão.
No entanto, há uma chance de que outra missão entre na fila. A NASA anunciará em breve qual dos quatro finalistas selecionou na classe menor de missões Discovery. (Esse programa inclui espaçonaves como a Lunar Reconnaissance Orbiter e a sonda de geologia de Marte InSight, bem como as futuras missões de asteróides Lucy e Psyche.)
Um dos quatro finalistas, Trident, exploraria Triton – e contaria com duas unidades de energia nuclear. Provavelmente, se essa missão for selecionada, a NASA pularia uma ideia maior de Netuno / Tritão para evitar a duplicação do trabalho científico, mas há muitos outros mundos distantes que valem a pena explorar. E o espectro contínuo de uma escassez aponta para as restrições que os cientistas ainda devem ter em mente ao considerarem futuras espaçonaves.
É exatamente essa restrição que a NASA espera que a parceria reformulada com o Departamento de Energia elimine.
“Se o plutônio tivesse sido produzido de forma consistente, teríamos um grande estoque dele”, disse Rymer. “Espero que essa seja a situação em que estaremos em não muitos anos.”
Publicado em 03/06/2021 03h34
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