Hoje, várias agências espaciais estão investigando ideias de propulsão de ponta que permitirão trânsitos rápidos para outros corpos no Sistema Solar.
Isso inclui os conceitos de Propulsão Nuclear-Térmica ou Nuclear-Elétrica (NTP/NEP) da NASA que podem permitir tempos de trânsito para Marte em 100 dias (ou até 45) e uma espaçonave chinesa movida a energia nuclear que pode explorar Netuno e sua maior lua, Tritão.
Embora essas e outras ideias possam permitir a exploração interplanetária, ir além do Sistema Solar apresenta alguns grandes desafios.
Como exploramos em um artigo anterior, uma espaçonave usando propulsão convencional levaria de 19.000 a 81.000 anos para alcançar até mesmo a estrela mais próxima, Proxima Centauri (4,25 anos-luz da Terra). Para este fim, os engenheiros têm pesquisado propostas para espaçonaves não tripuladas que dependem de feixes de energia direcionada (lasers) para acelerar as velas de luz a uma fração da velocidade da luz.
Uma nova ideia proposta por pesquisadores da UCLA prevê uma reviravolta na ideia da vela de viga: um conceito de viga de pellets que poderia acelerar uma espaçonave de 1 tonelada até a borda do Sistema Solar em menos de 20 anos.
O conceito, intitulado “Pellet-Beam Propulsion for Breakthrough Space Exploration”, foi proposto por Artur Davoyan, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA).
A proposta foi uma das quatorze propostas escolhidas pelo programa NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) como parte de suas seleções de 2023, que concedeu um total de US$ 175.000 em doações para desenvolver ainda mais as tecnologias. A proposta de Davoyan se baseia em trabalhos recentes com propulsão por energia direcionada (DEP) e tecnologia de vela leve para criar uma lente solar gravitacional.
Como o Prof. Davoyan disse ao Universe Today por e-mail, o problema com as espaçonaves é que elas ainda estão em dívida com a Equação do Foguete:
“Todas as espaçonaves e foguetes atuais voam expandindo o combustível. Quanto mais rápido o combustível é descartado, mais eficiente é o foguete. No entanto, há uma quantidade limitada de combustível que podemos carregar a bordo. Como resultado, a velocidade de uma espaçonave pode ser acelerado é limitado. Este limite fundamental é ditado pela Equação do Foguete. As limitações da Equação do Foguete se traduzem em uma exploração espacial relativamente lenta e cara. Missões como a Lente Gravitacional Solar não são viáveis com as espaçonaves atuais.”
A Lente Gravitacional Solar (SGL) é uma proposta revolucionária que seria o telescópio mais poderoso já concebido. Os exemplos incluem a Solar Gravity Lens, que foi selecionada em 2020 para o desenvolvimento do NIAC Fase III.
O conceito se baseia em um fenômeno previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein conhecido como Lente Gravitacional, onde objetos massivos alteram a curvatura do espaço-tempo, amplificando a luz de objetos ao fundo. Essa técnica permite aos astrônomos estudar objetos distantes com maior resolução e precisão.
Ao posicionar uma espaçonave na heliopausa (∼ 500 UA do Sol), os astrônomos puderam estudar exoplanetas e objetos distantes com a resolução de um espelho primário medindo cerca de 100 km (62 milhas) de diâmetro. O desafio é desenvolver um sistema de propulsão que possa levar a espaçonave a essa distância em um período de tempo razoável.
Até o momento, as únicas espaçonaves a alcançar o espaço interestelar foram as sondas Voyager 1 e 2, lançadas em 1977 e atualmente a cerca de 159 e 132 UA do Sol (respectivamente).
Quando deixou o Sistema Solar, a sonda Voyager 1 viajava a uma velocidade recorde de cerca de 17 km/s (38.028 mph), ou 3,6 UA por ano. No entanto, esta sonda ainda levou 35 anos para atingir a fronteira entre o vento solar do Sol e o meio interestelar (a heliopausa).
Em sua velocidade atual, a Voyager 1 levará mais de 40.000 anos para passar por outro sistema estelar – AC+79 3888, uma estrela obscura na constelação da Ursa Menor. Por esta razão, os cientistas estão investigando a propulsão de energia direcionada (DE) para acelerar velas leves, que podem atingir outro sistema estelar em questão de décadas.
Como explicou o Prof. Davoyan, esse método oferece algumas vantagens distintas, mas também tem sua parcela de desvantagens:
“A navegação a laser, ao contrário de espaçonaves e foguetes convencionais, não requer combustível a bordo para acelerar. Aqui, a aceleração vem de um laser que empurra a espaçonave por pressão de radiação. Em princípio, velocidades próximas à velocidade da luz podem ser alcançadas com este método. No entanto, os feixes de laser divergem em longas distâncias, o que significa que há apenas uma faixa de distância limitada na qual uma espaçonave pode ser acelerada. Essa limitação da navegação a laser leva à necessidade de potências de laser exorbitantes, gigawatts e, em algumas propostas, terawatts , ou coloca uma restrição na massa da espaçonave.”
Exemplos do conceito de feixe de laser incluem o Projeto Dragonfly, um estudo de viabilidade do Instituto de Estudos Interestelares (i4is) para uma missão que pode atingir um sistema estelar próximo dentro de um século.
Depois, há o Breakthrough Starshot, que propõe uma matriz de laser de 100 gigawatts (Gw) que aceleraria nanocraft em escala de gramas (Starchip).
A uma velocidade máxima de 161 milhões de km (100 milhões de milhas) ou 20% da velocidade da luz, o Starshot será capaz de alcançar Alpha Centauri em cerca de 20 anos. Inspirados por esses conceitos, o Prof. Davoyan e seus colegas propõem uma nova reviravolta na ideia: um conceito de viga de pellets.
Este conceito de missão poderia servir como uma missão precursora interestelar de trânsito rápido, como Starshot e Dragonfly.
Mas, para seus propósitos, Davoyan e sua equipe examinaram um sistema de feixe de pellets que impulsionaria uma carga útil de ∼ 900 kg (1 tonelada dos EUA) a uma distância de 500 UA em menos de 20 anos. Disse Davoyan:
“No nosso caso, o feixe que empurra a espaçonave é feito de minúsculos pellets, daí [nós o chamamos] de feixe de pellets. Cada pellet é acelerado a velocidades muito altas por ablação a laser e, em seguida, os pellets carregam seu impulso para empurrar a espaçonave.
Ao contrário de um feixe de laser, os projéteis não divergem tão rapidamente, permitindo-nos acelerar uma espaçonave mais pesada. Os pellets, sendo muito mais pesados que os fótons, carregam mais momento e podem transferir uma força maior para uma espaçonave.”
Além disso, o pequeno tamanho e a baixa massa dos pellets significam que eles podem ser impulsionados por feixes de laser de potência relativamente baixa. No geral, Davoyan e seus colegas estimam que uma espaçonave de 1 tonelada poderia ser acelerada a velocidades de até ∼ 30 UA por ano usando um feixe de laser de 10 megawatts (Mw).
Para o esforço da Fase I, eles demonstrarão a viabilidade do conceito de pellet-beam por meio de modelagem detalhada dos diferentes subsistemas e experimentos de prova de conceito. Eles também explorarão a utilidade do sistema de feixe de pellets para missões interestelares que podem explorar estrelas vizinhas em nossas vidas.
“O feixe de pellets visa transformar a maneira como o espaço profundo é explorado, permitindo missões de trânsito rápido para destinos distantes”, disse Davoyan. “Com o feixe de pellets, os planetas externos podem ser alcançados em menos de um ano, 100 UA em cerca de três anos e as lentes de gravidade solar em 500 UA em cerca de 15 anos. É importante ressaltar que, ao contrário de outros conceitos, o feixe de pellets pode impulsionar espaçonaves pesadas (∼1 tonelada), o que aumenta substancialmente o escopo de possíveis missões.”
Se realizada, uma espaçonave SGL permitiria aos astrônomos obter imagens diretamente de exoplanetas vizinhos (como Proxima b) com resolução de vários pixels e obter espectros de suas atmosferas. Essas observações ofereceriam evidências diretas de atmosferas, bioassinaturas e possivelmente até tecnoassinaturas.
Desta forma, a mesma tecnologia que permite aos astrônomos obter imagens diretas de exoplanetas e estudá-los em detalhes extensivos também permitiria que missões interestelares os explorassem diretamente.
Publicado em 31/01/2023 07h13
Artigo original:
Link original: