Crédito de imagem: NASA
Como todos sabem, os foguetes químicos são muito lentos para a exploração espacial. Talvez o mais eficiente sejam os sistemas híbridos, com diferentes tipos de propulsão usados em diferentes pontos de uma jornada. Este artigo descreve detalhadamente as tecnologias nas quais a NASA está trabalhando atualmente.
"Mãe, já chegamos?"
Todos os pais ouviram esse grito no banco de trás do carro. Geralmente começa cerca de 15 minutos após o início de qualquer viagem em família. Ainda bem que raramente viajamos a mais de algumas centenas ou milhares de quilômetros de casa.
Mas e se você estivesse viajando para, digamos, Marte? Mesmo em sua aproximação mais próxima da Terra a cada dois anos, o planeta vermelho está sempre a pelo menos 35 milhões de quilômetros de distância. Seis meses lá e seis meses atrás - na melhor das hipóteses.
"Houston, já chegamos?"
"Foguetes químicos são muito lentos", lamenta Les Johnson, gerente de tecnologias de transporte espacial do Marshall Space Flight Center da NASA. "Eles queimam todo o propulsor no início de um vôo e, em seguida, a espaçonave fica na costa pelo resto do caminho." Embora as naves espaciais possam ser aceleradas pela assistência da gravidade - um celestial quebra-chicote em torno de planetas, como o de Saturno que atirou a Voyager 1 até a borda do sistema solar - os tempos de viagem de ida e volta entre os planetas ainda são medidos em anos a décadas. E uma viagem para a estrela mais próxima levaria séculos, se não milênios.
Pior ainda, os foguetes químicos são ineficientes em termos de combustível. Pense em dirigir em um bebedor de gasolina em um país sem postos de gasolina. Você teria que carregar cargas de barcos e não muito mais. Nas missões espaciais, o que você pode levar em sua viagem que não é combustível (ou tanques para combustível) é chamado de massa da carga útil, por exemplo, pessoas, sensores, amostradores, equipamentos de comunicação e alimentos. Assim como a milhagem de gás é uma figura útil de mérito para a eficiência de combustível de um carro, a "fração de massa da carga útil" - a razão entre a massa de carga útil de uma missão e sua massa total - é uma figura útil de mérito para a eficiência dos sistemas de propulsão.
Com os foguetes químicos de hoje, a fração de massa da carga útil é baixa. "Mesmo usando uma trajetória de energia mínima para enviar uma tripulação de seis pessoas da Terra para Marte, apenas com foguetes químicos a massa total de lançamento alcançaria 1.000 toneladas - das quais 90% seriam combustível", disse Bret G. Drake, gerente de análise e integração de lançamentos espaciais no Johnson Space Center. Só o combustível pesaria o dobro da Estação Espacial Internacional concluída.
Uma única expedição a Marte com a tecnologia de propulsão química atual exigiria dezenas de lançamentos - a maioria dos quais simplesmente lançaria combustível químico. É como se seu carro compacto de 1 tonelada precisasse 9 toneladas de gasolina para ir de Nova York a São Francisco, porque a média era de apenas uma milha por galão.
Em outras palavras, os sistemas de propulsão de baixo desempenho são uma das principais razões pelas quais os humanos ainda não pisaram em Marte.
Sistemas de propulsão mais eficientes aumentam a fração de massa da carga útil, oferecendo melhor "milhagem de gás" no espaço. Como você não precisa de tanto propulsor, pode transportar mais coisas, entrar em um veículo menor e / ou chegar mais rápido e mais barato. "A mensagem principal é: precisamos de tecnologias avançadas de propulsão para permitir uma missão de baixo custo a Marte", declarou Drake.
Assim, a NASA agora está desenvolvendo unidades de íons, velas solares e outras tecnologias de propulsão exóticas que há décadas levam os humanos a outros planetas e estrelas - mas apenas nas páginas de ficção científica.
Da tartaruga à lebre
Quais são as opções de fatos científicos?
A NASA trabalha arduamente em duas abordagens básicas. O primeiro é desenvolver foguetes radicalmente novos que tenham uma economia de combustível melhor do que a propulsão química. O segundo é o desenvolvimento de sistemas “livres de propulsores” que são alimentados por recursos abundantes no vácuo do espaço profundo.
Todas essas tecnologias compartilham uma característica fundamental: elas começam lentamente, como a tartaruga proverbial, mas com o tempo se transformam em uma lebre que realmente vence uma corrida para Marte - ou em qualquer outro lugar. Eles confiam no fato de que uma pequena aceleração contínua ao longo de meses pode finalmente impulsionar uma nave espacial muito mais rápido do que um enorme chute inicial seguido por um longo período de inércia.
Acima: esta nave espacial de baixo impulso (conceito de um artista) é impulsionada por um motor de íons e alimentada por eletricidade solar. Eventualmente, a nave ganhará velocidade - resultado de aceleração implacável - e percorrerá muitas milhas por segundo. Crédito da imagem: John Frassanito & Associates, Inc.
Tecnicamente falando, eles são todos os sistemas com baixo empuxo (o que significa que você mal sentiria a aceleração tão suave, equivalente ao peso de um pedaço de papel na palma da mão), mas com longos períodos de operação. Após meses de aceleração pequena e contínua, você estará percorrendo muitos quilômetros por segundo! Por outro lado, os sistemas de propulsão química são de alta pressão e curtos tempos de operação. Você é esmagado de volta nas almofadas do assento enquanto os motores estão acionando, mas apenas brevemente. Depois disso, o tanque está vazio.
Foguetes com baixo consumo de combustível
"Um foguete é qualquer coisa que lança algo ao mar para se impulsionar para a frente", ressaltou Johnson. (Não acredita nessa definição? Sente-se em um skate com uma mangueira de alta pressão apontada para uma direção e você será impulsionado na direção oposta).
Os principais candidatos ao foguete avançado são variantes de motores de íons. Nos motores de íons atuais, o propulsor é um gás inerte incolor, insípido e inodoro, como o xenônio. O gás enche uma câmara com anel magnético, através da qual passa um feixe de elétrons. Os elétrons atingem os átomos gasosos, arrancando um elétron externo e transformando átomos neutros em íons carregados positivamente. Grades eletrificadas com muitos orifícios (15.000 nas versões de hoje) focam os íons na exaustão da nave espacial. Os íons passam pelas grades a velocidades de mais de 160 mil quilômetros por hora (compare isso a um carro de corrida de Indianápolis a 500 km / h) - acelerando o motor para o espaço, produzindo empuxo.
De onde vem a eletricidade para ionizar o gás e carregar o motor? Ou a partir de painéis solares (a chamada propulsão elétrica solar) ou de fissão ou fusão (a chamada propulsão elétrica nuclear). Os motores de propulsão elétrica solar seriam mais eficazes para missões robóticas entre o sol e Marte e propulsão elétrica nuclear para missões robóticas além de Marte, onde a luz do sol é fraca ou para missões humanas, onde a velocidade é essencial.
O íon aciona o trabalho. Eles provaram sua coragem não apenas em testes na Terra, mas em naves espaciais em funcionamento - o mais conhecido é o Deep Space 1, uma pequena missão de teste de tecnologia alimentada por propulsão elétrica solar que voou e tirou fotos do cometa Borrelly em setembro, 2001. Acionamentos de íons como o que impulsionou o Deep Space 1 são cerca de 10 vezes mais eficientes que os foguetes químicos.
Sistemas sem propulsores
Os sistemas de propulsão de menor massa, no entanto, podem ser aqueles que não possuem propulsor de bordo. Na verdade, eles nem são foguetes. Em vez disso, no verdadeiro estilo pioneiro, eles “vivem fora da terra” - contando com energia em recursos naturais abundantes no espaço, assim como os pioneiros de antigamente se baseavam em comida para aprisionar animais e encontrar raízes e frutos na fronteira.
Os dois principais candidatos são velas solares e velas de plasma. Embora o efeito seja semelhante, os mecanismos operacionais são muito diferentes.
Uma vela solar consiste em uma enorme área de gossamer, material altamente refletivo que é desenrolado no espaço profundo para capturar a luz do sol (ou de um microondas ou raio laser da Terra). Para missões muito ambiciosas, as velas podem atingir muitos quilômetros quadrados de área.
As velas solares aproveitam o fato de que os fótons solares, embora não tenham massa, têm momento - vários micronewtons (aproximadamente o peso de uma moeda) por metro quadrado à distância da Terra. Essa suave pressão de radiação acelerará lenta mas seguramente a vela e sua carga útil do sol, atingindo velocidades de até 150.000 milhas por hora ou mais de 40 milhas por segundo.
Um equívoco comum é que as velas solares capturam o vento solar, uma corrente de elétrons e prótons energéticos que se afastam da atmosfera externa do Sol. Não tão. As velas solares obtêm seu impulso da própria luz solar. É possível, no entanto, aproveitar o momento do vento solar usando as chamadas "velas de plasma".
As velas de plasma são modeladas no próprio campo magnético da Terra. Poderosos eletroímãs a bordo cercariam uma espaçonave com uma bolha magnética de 15 ou 20 quilômetros de diâmetro. Partículas carregadas de alta velocidade no vento solar empurrariam a bolha magnética, assim como fazem o campo magnético da Terra. A Terra não se move quando é empurrada dessa maneira - nosso planeta é muito grande. Mas uma espaçonave seria gradualmente afastada do Sol. (Um bônus adicional: assim como o campo magnético da Terra protege nosso planeta de explosões solares e tempestades de radiação, uma vela de plasma magnético protegeria os ocupantes de uma espaçonave.)
Acima: o conceito de artista de uma sonda espacial dentro de uma bolha magnética (ou "vela de plasma"). Partículas carregadas no vento solar atingem a bolha, pressionam e impulsionam a espaçonave. [Mais]
Obviamente, a tecnologia original, sem propulsores, testada e comprovada, é a assistência à gravidade. Quando uma nave espacial passa por um planeta, pode roubar parte do momento orbital do planeta. Isso dificilmente faz diferença para um planeta enorme, mas pode aumentar de maneira impressionante a velocidade de uma espaçonave. Por exemplo, quando Galileu girou pela Terra em 1990, a velocidade da nave espacial aumentou 11.620 mph; enquanto isso, a Terra desacelerava em sua órbita em uma quantidade inferior a 5 bilionésimos de polegada por ano. Essas assistências por gravidade são valiosas para complementar qualquer forma de sistema de propulsão.
Ok, agora que você percorre o espaço interplanetário, como diminui a velocidade no seu destino o suficiente para entrar em uma órbita de estacionamento e se preparar para o pouso? Com a propulsão química, a técnica usual é disparar contra-tiros - mais uma vez, exigindo grandes quantidades de combustível a bordo.
Uma opção muito mais econômica é prometida pelo aerocapture - travando a sonda por atrito com a própria atmosfera do planeta de destino. O truque, é claro, não é deixar uma espaçonave interplanetária de alta velocidade queimar. Mas os cientistas da NASA acham que, com um escudo térmico projetado adequadamente, seria possível que muitas missões fossem capturadas em órbita ao redor de um planeta de destino com apenas uma passagem pela atmosfera superior.
Avante!
"Nenhuma tecnologia de propulsão fará tudo para todos", alertou Johnson. De fato, velas solares e velas de plasma provavelmente seriam úteis principalmente para impulsionar cargas, em vez de seres humanos da Terra para Marte, porque "leva muito tempo para que essas tecnologias se recuperem da velocidade de escape", acrescentou Drake.
No entanto, um híbrido de várias tecnologias pode se mostrar muito econômico na obtenção de uma missão tripulada a Marte. De fato, uma combinação de propulsão química, propulsão iônica e aerocaptura pode reduzir a massa de lançamento de uma missão de Marte para 6 pessoas para menos de 450 toneladas (exigindo apenas seis lançamentos) - menos da metade da atingível apenas com a propulsão química.
Uma missão híbrida assim poderia ser assim: foguetes químicos, como sempre, tirariam a espaçonave do solo. Uma vez em órbita baixa da Terra, os módulos de acionamento de íons se incendiariam, ou os controladores de solo poderão implantar uma vela solar ou de plasma. Por 6 a 12 meses, a espaçonave - temporariamente não tripulada para evitar expor a tripulação a grandes doses de radiação nos cinturões de Van Allen da Terra - iria espiralar, acelerando gradualmente até uma órbita final de partida da Terra. A tripulação seria então transportada para o veículo de Marte em um táxi de alta velocidade; um pequeno estágio químico levaria o veículo para escapar da velocidade e seguiria em direção a Marte.
À medida que a Terra e Marte giram em suas respectivas órbitas, a geometria relativa entre os dois planetas muda constantemente. Embora as oportunidades de lançamento para Marte ocorram a cada 26 meses, os alinhamentos ideais para as viagens mais baratas e rápidas possíveis acontecem a cada 15 anos - a próxima em 2018.
Talvez até lá tenhamos uma resposta diferente para a pergunta "Houston, já estamos lá?"
Fonte original: NASA Science Story
