Poderia um laser enviar uma nave espacial para Marte? Essa é uma missão proposta por um grupo da Universidade McGill, projetada para atender a uma solicitação da NASA. O laser, um conjunto de 10 metros de largura na Terra, aqueceria o plasma de hidrogênio em uma câmara atrás da espaçonave, produzindo impulso do gás hidrogênio e enviando-o para Marte em apenas 45 dias. Lá, ele faria freio aerodinâmico na atmosfera de Marte, transportando suprimentos para colonos humanos ou, algum dia, talvez, até mesmo para os próprios humanos.
Em 2018, a NASA desafiou os engenheiros a projetar uma missão a Marte que entregaria uma carga útil de pelo menos 1.000 kg em não mais de 45 dias, bem como viagens mais longas dentro e fora do sistema solar. O curto prazo de entrega é motivado pelo desejo de transportar carregamentos e, algum dia, astronautas para Marte, minimizando sua exposição aos efeitos nocivos dos raios cósmicos galácticos e tempestades solares. A SpaceX de Elon Musk prevê que uma viagem humana a Marte levaria seis meses com seus foguetes baseados em produtos químicos.
O conceito de McGill, chamado de propulsão laser-térmica, baseia-se em uma matriz de lasers infravermelhos baseados na Terra, com 10 metros de diâmetro, combinando muitos feixes infravermelhos invisíveis, cada um com um comprimento de onda de cerca de um mícron, para um poderoso total de 100 megawatts – o elétrico energia necessária para cerca de 80.000 residências nos EUA. A carga útil, orbitando em uma órbita terrestre média elíptica, teria um refletor que direcionaria o feixe de laser vindo da Terra para uma câmara de aquecimento contendo um plasma de hidrogênio. Com seu núcleo então aquecido a 40.000 Kelvin (72.000 graus Fahrenheit), o gás hidrogênio fluindo ao redor do núcleo atingiria 10.000 K (18.000 graus Fahrenheit) e seria expelido por um bocal, criando impulso para impulsionar a nave para longe da Terra por um intervalo de 58 minutos. (Os propulsores laterais manteriam a nave alinhada com o feixe do laser enquanto a Terra gira.)
Quando o feixe pára, a carga útil se afasta a uma velocidade de quase 17 quilômetros por segundo em relação à Terra – rápido o suficiente para ultrapassar a distância orbital da lua em apenas oito horas. Quando atingir a atmosfera marciana em um mês e meio, ainda estará viajando a 16 km/s; no entanto, uma vez lá, colocar a carga em uma órbita de 150 km ao redor de Marte é um problema difícil para a equipe de engenharia resolver.
É difícil porque a carga útil não pode transportar um propulsor químico para disparar um foguete para se desacelerar – o combustível necessário reduziria a massa da carga útil para menos de 6% dos 1.000 quilogramas originais. E até que os humanos no planeta vermelho possam construir uma matriz de laser equivalente para a nave que chega usar seu refletor e câmara de plasma para fornecer impulso reverso, a aerocaptura é a única maneira de desacelerar a carga útil em Marte.
Mesmo assim, a aerocaptura, ou aerofrenagem, na atmosfera de Marte pode ser uma manobra arriscada, com a espaçonave experimentando desacelerações de até 8 g (onde g é a aceleração da gravidade na superfície da Terra, 9,8 m/s2), cerca de limite humano, por apenas alguns minutos, pois é capturado em uma única passagem ao redor de Marte. Os grandes fluxos de calor na nave devido ao atrito atmosférico estariam acima dos materiais tradicionais do sistema de proteção térmica, mas não daqueles em desenvolvimento ativo.
A propulsão laser-térmica de naves espaciais para o espaço profundo – Marte e além – contrasta com outros métodos de transporte previamente propostos, como a propulsão elétrica a laser, na qual um feixe de laser colidiria com células fotovoltaicas (PV) atrás da carga útil; propulsão solar-elétrica, na qual a luz solar nas células fotovoltaicas cria o impulso propulsor; propulsão nuclear-elétrica, na qual um reator nuclear cria eletricidade que produz íons impulsionados por um propulsor; e propulsão nuclear-térmica, na qual o calor de um reator nuclear converte líquido em gás que é impulsionado por um bocal para criar impulso.
“A propulsão laser-térmica permite missões de transporte rápido de 1 tonelada com matrizes de laser do tamanho de uma quadra de vôlei – algo que a propulsão a laser-elétrica só pode fazer com matrizes de classe de quilômetros”, diz Emmanuel Duplay, principal autor do estudo, que trabalhou em o projeto ao longo de dois anos, enquanto parte do Programa de Pesquisa de Graduação em Engenharia da McGill University. Duplay está agora no Programa de Mestrado em Engenharia Aeroespacial da Delft University of Technology, com especialização em Voo Espacial.
Uma grande vantagem do conceito de missão de propulsão laser-térmica apresentado por Duplay et al. é sua relação massa-potência extremamente baixa, na faixa de 0,001 – 0,010 kg/kW – “sem paralelo”, escrevem eles, “muito abaixo daquelas citadas para tecnologias avançadas de propulsão nuclear, devido ao fato de que a fonte de energia permanece ligada A Terra e o fluxo entregue podem ser processados por um refletor inflável de baixa massa.”
A propulsão laser-térmica foi estudada pela primeira vez na década de 1970 usando lasers de CO2 de 10,6 mícrons, os mais poderosos da época. Os lasers de fibra ótica atuais, de um mícron, que podem ser combinados em matrizes em fase maciçamente paralelas com um diâmetro grande e efetivo, significam uma distância focal de entrega de energia em duas ordens de magnitude maior – 50.000 km no laser de Duplay. conceito de propulsão térmica.
Duplay explica que uma arquitetura para lasers phased-array está sendo desenvolvida por um grupo liderado pelo físico Philip Lubin da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara. A matriz do grupo de Lubin usa amplificadores de laser individuais de cerca de 100 watts cada – cada amplificador é um simples loop de fibra ótica e uma luz LED como bomba, e pode ser produzido em massa de forma barata – então a missão a Marte prevista aqui exigiria cerca de 1 milhão amplificadores individuais.
Os primeiros humanos a Marte provavelmente não chegarão lá usando a tecnologia de propulsão térmica a laser. “No entanto, à medida que mais humanos fizerem a viagem para sustentar uma colônia de longo prazo, precisaremos de sistemas de propulsão que nos levem até lá mais rápido – apenas para evitar riscos de radiação”, diz Duplay. Uma missão laser-térmica para Marte pode ser lançada 10 anos após as primeiras missões humanas, ele especula, talvez por volta de 2040.
Publicado em 11/02/2022 19h47
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