(Imagem: © NASA)
Com os sonhos de Marte nas mentes da NASA e Elon Musk, missões tripuladas de longa distância pelo espaço estão chegando. Mas você pode se surpreender ao saber que os foguetes modernos não são muito mais rápidos do que os foguetes do passado.
Existem muitas razões pelas quais uma nave espacial mais rápida é melhor e os foguetes movidos a energia nuclear são uma maneira de fazer isso. Eles oferecem muitos benefícios em relação aos foguetes tradicionais que queimam combustível ou modernos foguetes elétricos movidos a energia solar, mas houve apenas oito lançamentos espaciais nos EUA carregando reatores nucleares nos últimos 40 anos.
No entanto, no ano passado as leis que regulam os vôos espaciais nucleares mudaram e o trabalho já começou nesta próxima geração de foguetes.
Por que a necessidade de velocidade?
O primeiro passo de uma jornada espacial envolve o uso de foguetes para colocar uma nave em órbita. Esses são os grandes motores que queimam combustível que as pessoas imaginam quando pensam em lançamentos de foguetes e provavelmente não desaparecerão no futuro próximo devido às restrições de gravidade.
Uma vez que uma nave atinge o espaço, as coisas ficam interessantes. Para escapar da gravidade da Terra e alcançar destinos espaciais profundos, as naves precisam de aceleração adicional. É aqui que os sistemas nucleares entram em cena. Se os astronautas quiserem explorar algo além da Lua e talvez de Marte, eles precisarão ir muito, muito rápido. O espaço é enorme e tudo está longe.
Há duas razões pelas quais foguetes mais rápidos são melhores para viagens espaciais de longa distância: segurança e tempo.
Os astronautas em uma viagem a Marte seriam expostos a níveis muito altos de radiação que podem causar sérios problemas de saúde a longo prazo, como câncer e esterilidade. A proteção contra radiação pode ajudar, mas é extremamente pesada e, quanto mais longa a missão, mais proteção é necessária. Uma maneira melhor de reduzir a exposição à radiação é simplesmente chegar aonde você está indo mais rápido.
Mas a segurança humana não é o único benefício. À medida que as agências espaciais se aprofundam no espaço, é importante obter dados de missões não tripuladas o mais rápido possível. A Voyager-2 levou 12 anos apenas para chegar a Netuno, onde tirou algumas fotos incríveis enquanto passava. Se a Voyager-2 tivesse um sistema de propulsão mais rápido, os astrônomos poderiam ter essas fotos e as informações que elas continham anos antes.
Velocidade é boa. Mas por que os sistemas nucleares são mais rápidos?
Sistemas de hoje
Depois que uma nave foge da gravidade da Terra, há três aspectos importantes a serem considerados ao comparar qualquer sistema de propulsão:
Empuxo – com que rapidez um sistema pode acelerar uma nave;
Eficiência em massa – quanto de empuxo um sistema pode produzir para uma determinada quantidade de combustível;
Densidade energética – quanta energia uma determinada quantidade de combustível pode produzir.
Atualmente, os sistemas de propulsão mais comuns em uso são propulsão química – ou seja, foguetes regulares para queima de combustível – e sistemas de propulsão elétrica movidos a energia solar.
Os sistemas de propulsão química fornecem muito impulso, mas os foguetes químicos não são particularmente eficientes, e o combustível de foguetes não é denso em energia. O foguete Saturno V, que levou os astronautas à Lua, produziu 35 milhões de Newtons de força na decolagem e carregava 950.000 galões de combustível. Enquanto a maior parte do combustível foi usada para colocar o foguete em órbita, as limitações são aparentes: é preciso muito combustível pesado para chegar a algum lugar.
Os sistemas de propulsão elétrica geram empuxo usando a eletricidade produzida a partir de painéis solares. A maneira mais comum de fazer isso é usar um campo elétrico para acelerar íons, como no propulsor Hall. Esses dispositivos são comumente usados para alimentar satélites e podem ter eficiência em massa cinco vezes maior que os sistemas químicos. Mas eles produzem muito menos empuxo – cerca de três Newtons, ou apenas o suficiente para acelerar um carro de 0 a 100 km / h em cerca de duas horas e meia. A fonte de energia – o Sol – é essencialmente infinita, mas se torna menos útil quanto mais distante do Sol a nave fica.
Uma das razões pelas quais os foguetes movidos a energia nuclear são promissores é porque eles oferecem uma incrível densidade de energia. O combustível de urânio usado nos reatores nucleares tem uma densidade de energia 4 milhões de vezes maior que a hidrazina, um propulsor químico típico de foguetes. É muito mais fácil levar uma pequena quantidade de urânio para o espaço do que centenas de milhares de galões de combustível.
E quanto à eficiência de empuxo e massa?
Duas opções para nuclear
Os engenheiros projetaram dois tipos principais de sistemas nucleares para viagens espaciais.
O primeiro é chamado de propulsão térmica nuclear. Esses sistemas são muito poderosos e moderadamente eficientes. Eles usam um pequeno reator de fissão nuclear – semelhante aos encontrados em submarinos nucleares – para aquecer um gás, como o hidrogênio, e esse gás é acelerado através de um bico de foguete para fornecer impulso. Engenheiros da NASA estimam que uma missão a Marte movida por propulsão térmica nuclear seria 20% -25% mais curta do que uma viagem a um foguete movido a produtos químicos.
Os sistemas de propulsão térmica nuclear são mais que o dobro da eficiência dos sistemas de propulsão química – o que significa que geram o dobro do empuxo usando a mesma quantidade de massa propulsora – e podem fornecer 100.000 Newtons de empuxo. Isso é força suficiente para conseguir um carro de 0 a 100 km / h em cerca de um quarto de segundo.
O segundo sistema de foguetes nucleares é chamado de propulsão elétrica nuclear. Ainda não foram construídos sistemas elétricos nucleares, mas a idéia é usar um reator de fissão de alta potência para gerar eletricidade que alimentaria um sistema de propulsão elétrica como um propulsor de Hall. Isso seria muito eficiente, cerca de três vezes melhor que um sistema de propulsão térmica nuclear. Como o reator nuclear pode gerar muita energia, muitos propulsores elétricos individuais podem ser operados simultaneamente para gerar uma boa quantidade de empuxo.
Os sistemas elétricos nucleares seriam a melhor opção para missões de alcance extremamente longo, porque não precisam de energia solar, têm eficiência muito alta e podem dar um impulso relativamente alto. Mas, embora os foguetes elétricos nucleares sejam extremamente promissores, ainda existem muitos problemas técnicos a serem resolvidos antes de serem colocados em uso.
Por que ainda não existem foguetes movidos a energia nuclear?
Os sistemas de propulsão térmica nuclear têm sido estudados desde a década de 1960, mas ainda não voaram no espaço.
Os regulamentos impostos pela primeira vez nos EUA na década de 1970 exigiram essencialmente o exame e a aprovação caso a caso de qualquer projeto espacial nuclear de várias agências governamentais e a aprovação explícita do presidente. Juntamente com a falta de financiamento para pesquisas em sistemas de foguetes nucleares, esse ambiente impediu melhorias adicionais nos reatores nucleares para uso no espaço.
Tudo isso mudou quando o governo Trump emitiu um memorando presidencial em agosto de 2019. Embora defenda a necessidade de manter os lançamentos nucleares o mais seguro possível, a nova diretiva permite missões nucleares com quantidades menores de material nuclear para pular o processo de aprovação de várias agências. Somente a agência patrocinadora, como a NASA, por exemplo, precisa certificar que a missão atende às recomendações de segurança. Missões nucleares maiores passariam pelo mesmo processo de antes.
Junto com essa revisão de regulamentos, a NASA recebeu US $ 100 milhões no orçamento de 2019 para desenvolver a propulsão térmica nuclear. A DARPA também está desenvolvendo um sistema espacial de propulsão térmica nuclear para permitir operações de segurança nacional além da órbita da Terra.
Após 60 anos de estagnação, é possível que um foguete movido a energia nuclear esteja indo para o espaço dentro de uma década. Essa conquista emocionante dará início a uma nova era de exploração espacial. As pessoas irão para Marte e os experimentos científicos farão novas descobertas em todo o sistema solar e além.
Publicado em 30/06/2020 05h48
Artigo original:
Achou importante? Compartilhe!
Assine nossa newsletter e fique informado sobre Astrofísica, Biofísica, Geofísica e outras áreas. Preencha seu e-mail no espaço abaixo e clique em “OK”: