Nave espacial movida a energia nuclear: por que os sonhos com foguetes atômicos estão de volta – Physics World

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="Tornando-se nuclear O foguete americano DRACO usará o calor de um reator de fissão para impulsioná-lo ao espaço. (Cortesia: Lockheed Martin)”>

Em 1914, HG Wells publicou The World Set Free, um romance baseado na noção de que o rádio poderá um dia fornecer energia a naves espaciais. Wells, que conhecia o trabalho de físicos como Ernest Rutherford, sabia que o rádio poderia produzir calor e imaginou que ele seria usado para girar uma turbina. O livro pode ter sido uma obra de ficção, mas The World Set Free previu corretamente o potencial do que se poderia chamar de “naves espaciais atômicas”.

A ideia de utilizar a energia nuclear para viagens espaciais consolidou-se na década de 1950, quando o público – tendo testemunhado os horrores de Hiroshima e Nagasaki – gradualmente se convenceu da utilidade da energia nuclear para fins pacíficos. Graças a programas como o America's Átomos para a Paz, as pessoas começaram a ver que a energia nuclear poderia ser usada para energia e transporte. Mas talvez a aplicação mais radical esteja nos voos espaciais.

Entre os mais fortes defensores das viagens espaciais movidas a energia nuclear estava o eminente físico matemático Freeman Dyson. Em 1958, ele tirou um ano sabático do Instituto de Estudos Avançados de Princeton para trabalhar na General Atomics em San Diego em um projeto de codinome Orion. A ideia de Ted Taylor – um físico que trabalhou no projeto da bomba atômica de Manhattan em Las Alamos – projeto Orion pretendia construir uma nave espacial de 4000 toneladas que usaria 2600 bombas nucleares para impulsioná-la ao espaço.

Lançar bombas atómicas da traseira de uma nave espacial parece uma loucura do ponto de vista ambiental, mas Dyson calculou que “apenas” 0.1-1 americanos contrairiam cancro com este método. O projeto foi até apoiado por um especialista em foguetes Wernher von Braun, e uma série de voos de teste não nucleares foram realizados. Felizmente, o Tratado de Proibição Parcial de Testes de 1963 pôs fim ao Projeto Orion, e o próprio Dyson mais tarde retirou seu apoio às espaçonaves atômicas após reconhecer tardiamente seus riscos ambientais.

Apesar do fim do Projecto Orion, o fascínio da propulsão nuclear nunca desapareceu (ver caixa “Viagens espaciais nucleares: uma breve história”) e está agora a desfrutar de uma espécie de ressurgimento. Em vez de usar bombas atómicas, no entanto, a ideia é transferir a energia de um reactor de fissão nuclear para um combustível propulsor, que seria aquecido a cerca de 2500 K e ejectado através de um bocal num processo chamado “propulsão térmica nuclear” (NTP). . Alternativamente, a energia de fissão poderia ionizar um gás que seria emitido pela parte traseira da espaçonave – o que é conhecido como “propulsão elétrica nuclear” (NEP).

Então, será que as viagens espaciais movidas a energia nuclear são uma perspectiva realista e, em caso afirmativo, que tecnologia vencerá?

Impulso nuclear

A maioria dos foguetes convencionais é movida por combustíveis químicos comuns. O Foguete Saturno V que levou astronautas à Lua no final da década de 1960 e início da década de 1970, por exemplo, utilizou combustíveis líquidos, enquanto os foguetes propulsores que falharam tão espetacularmente durante o lançamento do ônibus espacial desafiador em 1986 continha combustível sólido.

Mais recentemente, Foguetes Falcon da Space X, por exemplo, usaram uma mistura de querosene e oxigênio. O problema é que todos esses propelentes têm uma “densidade de energia” relativamente pequena (energia armazenada por unidade de volume) e um “impulso específico” baixo (a eficiência com a qual podem gerar impulso). Isto significa que o impulso global do foguete – o impulso específico multiplicado pela taxa de fluxo de massa dos gases de escape e pela gravidade da Terra – é baixo.

Os propulsores químicos, portanto, só podem levar você até certo ponto, sendo a Lua o limite tradicional. Para alcançar planetas distantes e outros destinos no “espaço profundo”, as naves espaciais geralmente exploram a atração gravitacional de vários planetas diferentes. Essas viagens são, no entanto, tortuosas e demoradas. A missão Juno da NASA, por exemplo, precisava cinco anos para chegar a Júpiter, enquanto a nave Voyager levou mais de 30 anos para chegar ao borda do sistema solar. Essas missões também são restritas por janelas de lançamento estreitas e pouco frequentes.

Em vez disso, uma nave espacial nuclear utilizaria energia de fissão para aquecer um combustível (figura 1) – muito provavelmente hidrogénio líquido armazenado criogenicamente, que tem uma massa molecular baixa e um elevado calor de combustão. “A propulsão nuclear, seja elétrica ou térmica, poderia extrair mais energia de uma determinada massa de combustível do que é possível através da propulsão baseada em combustão”, diz Dale Thomas, ex-diretor associado do Marshall Space Flight Center da NASA, agora na Universidade do Alabama em Huntsville.

Thomas diz que os sistemas de propulsão química mais eficientes de hoje podem atingir um impulso específico de cerca de 465 segundos. O NTP, por outro lado, pode ter um impulso específico de quase 900 segundos devido à maior densidade de potência das reações nucleares. Combinado com uma relação impulso-peso muito maior, o NTP poderia levar um foguete a Marte em apenas 500 dias, em vez de 900.

“A relação impulso-peso é crucial porque determina a capacidade de aceleração da espaçonave, o que é especialmente crítico durante as principais fases da missão, como escapar da gravidade da Terra ou manobrar no espaço profundo”, diz Mauro Augelli, chefe de sistemas de lançamento da Agência Espacial do Reino Unido. “O impulso específico, por outro lado, é uma medida da eficácia com que um foguete usa seu propulsor.”

A propulsão nuclear, seja elétrica ou térmica, poderia extrair mais energia de uma determinada massa de combustível do que é possível através da propulsão baseada em combustão.

Dale Thomas, Universidade do Alabama em Huntsville

Essencialmente, para uma determinada quantidade de propelente, uma nave espacial movida a energia nuclear poderia viajar mais rápido e sustentar o seu impulso por períodos mais longos do que um foguete químico. Seria, portanto, óptimo para missões tripuladas a Marte – não só os astronautas teriam uma viagem mais rápida, mas, como resultado disso, estariam expostos a menos radiação cósmica. “Além disso, missões com durações mais curtas reduzem os desafios logísticos e de suporte à vida, tornando a exploração do espaço profundo mais viável e segura”, acrescenta Augelli.

Mas a energia nuclear não consiste apenas em reduzir o tempo de viagem. A NASA também tem um programa dedicado Na sua Centro de Pesquisa Glenn em Cleveland, Ohio, para utilizar a fissão nuclear – em vez da energia solar ou de combustíveis químicos – para alimentar naves espaciais assim que estas cheguem ao seu destino. “A energia nuclear oferece benefícios únicos para operar em ambientes extremos e regiões do espaço onde os sistemas solares e químicos são inadequados ou impossíveis como fontes de energia para operação prolongada”, afirma o gerente do programa. Lindsay Kaldon.

De volta em ação

Em 2020, o governo dos EUA colocou firmemente as naves espaciais nucleares de volta na agenda ao premiando quase US$ 100 milhões a três empresas – General Atomics, Lockheed Martin e Blue Origin. Eles usarão o dinheiro para trabalhar no Foguete de demonstração para operações Cislunar Agile (DRACO), que é financiado através do programa DARPA agência de pesquisa do Departamento de Defesa dos EUA. Na primeira fase, as empresas terão como objetivo mostrar que o NTP pode ser usado para lançar um foguete acima da órbita baixa da Terra, com a DARPA visando relações empuxo-peso equivalentes aos sistemas de foguetes químicos existentes.

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Tabita Dodson, gerente do programa DARPA para DRACO, pensa que o lançamento e voo bem-sucedidos de um reator espacial nuclear pelo programa DRACO revolucionaria o voo espacial. “Ao contrário dos sistemas químicos de hoje, que atingiram um limite na sua capacidade de evolução, teoriza-se que as tecnologias nucleares evoluem para sistemas como a fusão e outros”, diz ela. “As naves espaciais evoluídas para serem manobradas e alimentadas por reatores nucleares permitirão à humanidade ir mais longe, com maiores chances de sobrevivência e sucesso para qualquer tipo de missão.”

No programa DRACO, a General Atomics projetará o reator NTP e elaborará um projeto para um subsistema de propulsão, enquanto a Blue Origin e a Lockheed Martin planejarão a própria espaçonave. O reator de fissão usaria um dispositivo especial urânio de baixo enriquecimento de alto ensaio (HALEU), que pode ser produzido utilizando combustível reciclado de reatores nucleares existentes. Contendo apenas 20% de urânio enriquecido, não é adequado para ser transformado em armas nucleares.

O reator não seria ligado (ou seja, entraria em estado crítico) até que a nave atingisse uma órbita “nuclearmente segura”. No caso improvável de uma emergência, qualquer contaminação seria, por outras palavras, dissipada inofensivamente para o espaço. A Lockheed Martin já uniu forças com BWX Technologies de Lynchburg, Virgínia, para desenvolver o reator e produzir o combustível HALEU. BWX diz que um foguete DRACO poderia ser lançado assim que 2027.

Motores de foguete que respiram ar: o futuro dos voos espaciais

Em outros lugares, pesquisadores do Laboratório Nacional de Idaho nos EUA estão ajudando a NASA a desenvolver e testar os materiais necessários para um foguete nuclear em sua Teste de reator transitório (TREAT) perto de Idaho Falls. Eles já realizaram um teste prático no ano passado para validar os modelos de computador e testar um novo sensor e cápsula experimental. A longo prazo, o objectivo é identificar quais os materiais, estruturas compósitas e compostos de urânio que funcionam melhor nas condições extremamente quentes de um reactor NTP.

O calor do reator aqueceria o combustível de hidrogênio, que proporciona a maior mudança na velocidade – o que os cientistas de foguetes chamam de Δv – para uma determinada massa. A desvantagem do hidrogênio é que ele tem baixa densidade e o foguete precisaria de tanques grandes. Outros propelentes, como a amônia, têm um Δ menorv por quilograma de propelente, mas são muito mais densos. Em Huntsville, Thomas mostrou que a amônia seria o combustível ideal para levar os astrônomos a Marte a partir do satélite da NASA. Portal lunar – uma estação espacial que orbitaria a Lua.

Tendo publicado uma revisão da tecnologia NTP para o Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica em 2020, Thomas concluiu que os sistemas NTP regulares, que oferecem muito impulso para queimas curtas de cerca de 50 minutos, serão ideais para sobrevoos e missões de encontro. Mas também existem sistemas “bimodais”, que combinam NTP com NEP (ver caixa “Os desafios da propulsão elétrica nuclear”). O primeiro fornece rajadas rápidas de alto impulso, enquanto o último produz baixo impulso por períodos mais longos – perfeito para missões longas de ida e volta.

Kate HaggertyKelly, diretor de espaço e engenharia da BWX Technologies, diz que a propulsão térmica nuclear geral pode ser duas a cinco vezes mais eficiente do que os sistemas de propulsão química, ao mesmo tempo que oferece alto empuxo. “[Em contraste], os sistemas de propulsão elétrica nuclear podem fornecer maior eficiência, mas menor empuxo, e a energia gerada pela fissão nuclear pode ser convertida em eletricidade para fornecer energia aos subsistemas da espaçonave.”

Então, o NTP ou o NEP serão melhores para operações no espaço profundo? Segundo Thomas, vai depender do tipo de missão. “Para missões de uma determinada classe – como naves espaciais científicas acima de uma certa massa – ou missões tripuladas, ou para determinados destinos, o NTP será a melhor escolha, enquanto para outras missões o NEP será a melhor. Tal como uma viagem de carro, depende da distância, da quantidade de bagagem que transporta, das exigências do seu horário e assim por diante.”

Futuro nuclear

A NASA já está considerando várias missões espaciais movidas a energia nuclear. De acordo com um relatório divulgado em junho de 2021, estes podem incluir naves que orbitarão várias luas de Urano e Júpiter, e outras que orbitarão e pousarão na lua de Netuno, Tritão. O relatório também prevê um foguete movido a energia nuclear entrando em uma órbita polar ao redor do Sol e possivelmente até mesmo uma missão no espaço interestelar.

Em última análise, algum tipo de propulsão nuclear – isoladamente ou combinada com outro tipo de propulsão – será uma parte importante dos futuros esforços espaciais da humanidade. Com a NASA, a Agência Espacial do Reino Unido e a Agência Espacial Europeia a olharem para voos espaciais movidos a energia nuclear, a minha aposta é que as primeiras missões tripuladas a Marte irão, até 2030, utilizar alguma forma desta tecnologia. O sonho de Freeman Dyson poderá, tenho certeza, em breve ver a luz do dia.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/