Uma nova era de voos espaciais? Avanços promissores na propulsão de foguetes

Conceito SpaceX de Starship. Crédito: AleksandrMorrisovich / Shutterstock

A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (Darpa) dos Estados Unidos contratou recentemente três empresas privadas, Blue Origin, Lockheed Martin e General Atomics, para desenvolver foguetes térmicos de fissão nuclear para uso em órbita lunar.

Tal desenvolvimento, se voado, poderia inaugurar uma nova era de voos espaciais. Dito isso, é apenas um dos vários caminhos empolgantes na propulsão de foguetes . Aqui estão alguns outros.

Foguetes químicos

O meio padrão de propulsão para espaçonaves usa foguetes químicos. Existem dois tipos principais: de combustível sólido (como os propulsores de foguetes sólidos do Ônibus Espacial) e de combustível líquido (como o Saturn V ).

Em ambos os casos, uma reação química é empregada para produzir um gás muito quente e altamente pressurizado dentro de uma câmara de combustão. O bico do motor fornece a única saída para esse gás que, conseqüentemente, se expande para fora dele, proporcionando o empuxo.

A reação química requer um combustível, como hidrogênio líquido ou alumínio em pó, e um oxidante (um agente que produz reações químicas), como oxigênio. Existem muitas outras variáveis ​​que, em última análise, também determinam a eficiência de um motor de foguete , e os cientistas e engenheiros estão sempre procurando obter mais empuxo e eficiência de combustível de um determinado projeto.

Recentemente, a empresa privada SpaceX tem conduzido voos de teste de seu protótipo de lançador de nave estelar. Este veículo usa um "motor de combustão em estágio de fluxo total (FFSC)", o Raptor , que queima metano como combustível e oxigênio como oxidante. Esses projetos foram testados pelos russos na década de 1960 e pelo governo dos Estados Unidos na década de 2000, mas até agora nenhum voou no espaço. 

Os motores são muito mais eficientes em termos de combustível e podem gerar uma relação empuxo-peso muito maior do que os designs tradicionais.

Foguetes térmicos de fissão

O núcleo de um átomo consiste em partículas subatômicas chamadas prótons e nêutrons. Eles determinam a massa de um elemento - quanto mais prótons e nêutrons, mais pesado ele é. Alguns núcleos atômicos são instáveis ​​e podem ser divididos em vários núcleos menores quando bombardeados com nêutrons. Este é o processo de fissão nuclear e pode liberar uma enorme quantidade de energia. 

À medida que os núcleos decaem, eles também liberam mais nêutrons, que vão fissurando mais átomos - produzindo uma reação em cadeia.

Em um foguete térmico de fissão nuclear, um gás propelente, como o hidrogênio, é aquecido por fissão nuclear a altas temperaturas, criando um gás de alta pressão dentro da câmara do reator. Como acontece com os foguetes químicos, ele só pode escapar pelo bico do foguete, novamente produzindo empuxo. 

Os foguetes de fissão nuclear não estão previstos para produzir o tipo de impulso necessário para levantar grandes cargas úteis da superfície da Terra para o espaço. Uma vez no espaço, porém, eles são muito mais eficientes do que foguetes químicos - para uma determinada massa de propelente, eles podem acelerar uma espaçonave a velocidades muito maiores.

Foguetes de fissão nuclear nunca foram lançados no espaço, mas foram testados no solo. Eles devem ser capazes de encurtar o tempo de vôo entre a Terra e Marte de cerca de sete meses para cerca de três meses para futuras missões tripuladas. 

As desvantagens óbvias, no entanto, incluem a produção de rejeitos radioativos e a possibilidade de uma falha de lançamento que poderia resultar no espalhamento do material radioativo por uma ampla área.

Um grande desafio de engenharia é miniaturizar suficientemente um reator para que ele caiba em uma espaçonave. Já existe uma indústria florescente na produção de reatores de fissão compactos, incluindo o desenvolvimento de um reator de fissão que é menor do que um ser humano adulto .

Propulsão elétrica

Um produto básico da ficção científica , as unidades de íons reais geram partículas carregadas (ionização), aceleram-nas usando campos elétricos e depois as disparam de um propulsor. O propelente é um gás como o xenônio, um elemento bastante pesado que pode ser facilmente carregado eletricamente.

À medida que os átomos de xenônio carregados saem do propulsor, eles transferem uma quantidade muito pequena de momento (o produto da massa e da velocidade) para a espaçonave, proporcionando um impulso suave. 

Embora sejam lentas, as unidades de íons estão entre os métodos de propulsão de naves espaciais mais eficientes em termos de combustível, então podem nos levar mais longe. 

Drives de íons são comumente usados ​​para controle de atitude (mudando a direção para a qual uma espaçonave está voltada) e foram considerados para desorbitar satélites antigos .

Os motores iônicos atuais são movidos por células solares , tornando-os efetivamente movidos a energia solar e exigindo muito pouco propelente. Eles foram usados ​​na missão SMART-1 da Esa para a Lua e na missão Bepi-Colombo a caminho de Mercúrio. A Nasa está atualmente desenvolvendo um sistema de propulsão elétrica de alta potência para o Portal Lunar , um posto avançado que orbitará a lua.

Velas solares

Enquanto a propulsão geralmente requer propelente de alguma descrição, um método mais "verde" que depende apenas da luz do próprio Sol.

As velas contam com a propriedade física de conservação do momento. Na Terra, estamos acostumados a ver esse momento como uma pressão dinâmica de partículas de ar soprando em um lençol durante a navegação, impulsionando um navio para a frente. 

A luz é composta de fótons , que não têm massa, mas têm momentum e podem transferi-lo para uma vela. 

Como as energias dos fótons individuais são muito pequenas, um tamanho de vela extremamente grande é necessário para qualquer aceleração apreciável.

O ganho de velocidade também dependerá de quão longe você está do Sol. 

Na Terra, a energia recebida da luz solar é de cerca de 1,3 kW por metro quadrado. Se tivéssemos uma vela do tamanho de um campo de futebol, isso equivaleria a 9,3 MW, proporcionando uma aceleração muito baixa, mesmo para um objeto de baixa massa.

As velas solares foram testadas pela espaçonave japonesa IKAROS, que voou com sucesso por Vênus, e pela Planetary Society Lightsail-2 , que está atualmente em órbita ao redor da Terra.

Uma forma de aumentar a eficiência e reduzir o tamanho da vela é usar um laser para impulsionar a espaçonave para a frente. Os lasers produzem feixes de fótons muito intensos que podem ser direcionados para uma vela para fornecer uma aceleração muito maior, mas precisariam ser construídos na órbita da Terra para evitar a perda de intensidade na atmosfera. Lasers também foram propostos como um meio de desorbitar lixo espacial - a luz do laser pode desacelerar um pedaço de lixo orbital, que então sairia da órbita e queimaria na atmosfera.

O desenvolvimento de foguetes de fissão nuclear pode excitar alguns e preocupar outros. No entanto, como empresas privadas e agências espaciais nacionais estão cada vez mais se comprometendo com uma presença humana sustentada no espaço, esses meios alternativos de propulsão se tornarão mais comuns e terão o potencial de revolucionar nossa nascente civilização espacial.