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A NASA está desenvolvendo a ‘primeira espaçonave interplanetária movida a energia nuclear’. E as sondas Voyager?
Esta semana, o administrador da NASA, Jared Isaacman, anunciou que a agência desenvolverá a “primeira espaçonave interplanetária movida a energia nuclear” antes do lançamento planejado para Marte em 2028.
A ambição da missão, conhecida como Liberdade do Reator Espacial-1 (SR1), vai muito além da missão proposta de alcançar Marte. Se for bem-sucedido, será o culminar de mais de 60 anos de experiências e projetos fracassados na propulsão nuclear, e poderá potencialmente transformar as viagens espaciais interplanetárias.
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A ideia de uma espaçonave movida a energia nuclear traz à mente conceitos como Projeto Óriondesenvolvido na década de 1950 e que teria visto uma espaçonave sendo impulsionada pelas ondas de choque de uma rápida série de explosões nucleares atrás dela. Outro projeto movido a energia nuclear foi o Projeto Daedalus, um estudo de projeto da Sociedade Interplanetária Britânica da década de 1970 que propôs o uso de motores movidos a fusão nuclear.
O conceito SR-1 Freedom da NASA usaria um fissão nuclear reator, como uma versão reduzida do tipo de estações nucleares que abastecem as cidades da Terra, para gerar eletricidade que pode operar um motor iônico.
No entanto, as missões da NASA têm utilizado outra forma de energia nuclear no espaço há décadas, na forma de geradores termoelétricos de radioisótoposou RTGs. Qual é a diferença entre os RTGs e a propulsão elétrica nuclear que impulsionará o SR-1 Freedom?
Alimentado pela decadência nuclear
Geradores termoelétricos de radioisótopos produzem energia usando o calor liberado pelo decaimento radioativo de plutónio-238, que tem uma meia-vida de quase 88 anos (o que significa que, em média, metade da sua quantidade terá sofrido decadência radioactiva nesse período), permitindo-lhe alimentar naves espaciais durante décadas, se necessário.
A NASA tem usado a energia nuclear no espaço há quase tanto tempo quanto a própria Era Espacial. Na década de 1960, a agência financiou o projeto Sistemas para Energia Auxiliar Nuclear, ou SNAP. Como o próprio nome sugere, o SNAP envolvia a utilização de energia derivada de energia nuclear em missões espaciais. De acordo com a NASAo primeiro a voar foi o SNAP-3 em 1961, que transportava a bordo um RTG.
O RTG a bordo do SNAP-3 carregava 96 gramas de plutônio-238, que produzia apenas 2,5 watts de energia elétrica. As coisas percorreram um longo caminho desde o início dos anos 1960, no entanto. Desde então, os RTGs têm voado em missões interplanetárias, incluindo o Pioneer 10 e 11 e Viajante 1 e 2 nave espacial para o exterior sistema solaro Novos Horizontes viagem para Plutão e além, as sondas Viking 1 e 2 em Marte e os rovers Curiosidade e Perseverança.
Na verdade, a necessidade de RTGs foi revelada pelos antecessores do Curiosity e do Perseverance, os Mars Exploration Rovers Espírito e Oportunidadeque eram puramente movidos a energia solar, mas sofriam com a diminuição da energia à medida que a poeira marciana cobria seus painéis solares.
Propulsão elétrica nuclear
Outro avanço que remonta à década de 1960 é a propulsão elétrica, talvez mais conhecida como motor iônico. Isso funciona ionizando átomos pertencentes a um propelente gasoso, como xenônio ou criptônio, e depois acelerando esses íons através de um bocal para fornecer impulso. Essa aceleração pode ser alcançada de duas maneiras. Uma delas é a aplicação de campos eletromagnéticos para produzir algo chamado efeito Hall, que acelera os íons.
A outra maneira é um propulsor de íons em grade, no qual os íons carregados positivamente são injetados em uma “câmara de descarga”, onde se movem em direção a uma grade carregada negativamente e são acelerados através dos buracos dessa grade por uma voltagem, expelindo-os mais uma vez através de um bocal, o motor iônico produzindo um suave brilho azul.
Em missões espaciais dentro do interior sistema solar os íons podem ser ionizados pela eletricidade produzida por meio de painéis solares, por isso nos referimos a essa tecnologia como propulsão elétrica solar (SEP). No entanto, você pode se surpreender ao descobrir que o SEP normalmente produz menos de meio quilo de empuxo.
Isso não é nada em comparação com os 8,8 milhões de libras de empuxo que o Sistema de lançamento espacial foguete fornecerá quando explodir o Ártemis 2 missão em direção ao lua. A pequena quantidade de empuxo do SEP é, no entanto, aditiva e aumenta ao longo do tempo para levar a espaçonave a velocidades de cerca de 200.000 milhas (320.000 quilômetros) por hora, ou mais, muito depois de um foguete químico equivalente ter esgotado seu combustível.
O SEP tem sido usado em missões na órbita da Terra desde 1960. A primeira missão interplanetária com SEP foi a da NASA Espaço Profundo 1 em 1998, e desde então tem sido usado com grande efeito por missões como a missão SMART-1 da Agência Espacial Europeia para a Lua, a missão da NASA Alvorecer espaçonave que visitou Ceres e Vesta no Cinturão de Asteróidese o DARDO missão que impactou a dupla asteróide Dídimos e Dimorfos em 2022.
Substituir a energia solar pela nuclear tem duas vantagens no espaço profundo. Primeiro, torna mais fácil para as missões espaciais implantar motores iônicos no distante sistema solar exterior, longe do sol. E segundo, produz entre uma e duas ordens de magnitude mais potência do que o SEP, aumentando assim o impulso e a massa da carga útil que pode transportar.
Os RTGs não são suficientes para este tipo de trabalho, razão pela qual a propulsão elétrica nuclear (NEP) requer um reator de fissão. O calor produzido pelo reator é transformado em eletricidade e é isso que ioniza (carrega eletricamente) os gases propulsores para uso no motor iônico.
O reactor de fissão de 20 quilowatts do SR-1 Freedom, contendo urânio pouco enriquecido e dióxido de urânio, ficaria situado no final de uma longa explosão, garantindo a distância entre a radiação que produz e o resto da nave espacial.
No SEP, uma grande fração da área total de uma espaçonave é dedicada a painéis solares. Com a NEP, esses painéis solares são trocados por aletas de troca de calor para irradiar parte do excesso de calor do reator e evitar que os componentes da espaçonave derretam.
Vale ressaltar que existe uma terceira variação do motor nuclear, que é a propulsão térmica nuclear, na qual a energia produzida por um reator de fissão aquece um propulsor, fazendo-o se expandir e explodir através de um bocal, produzindo empuxo como um foguete mais convencional.
Riscos nucleares
A segurança é, obviamente, de extrema importância quando se envia material nuclear para o espaço, e as pessoas têm muitas vezes medo da palavra “nuclear”.
Em 1997, a controvérsia envolveu o lançamento do projeto conjunto NASA/Agência Espacial Europeia Cassini–Huygens missão para Saturno. Ele carregava a bordo três RTGs transportando 73 libras (33 quilogramas) de plutônio-238 entre as duas sondas.
O estudo de impacto ambiental da missão sugeriu que havia uma chance de 1 em 1.400 de um acidente durante a decolagem e de 1 em 476 durante o vôo pela atmosfera da Terra, o que poderia espalhar material radioativo não apenas pela Flórida, de onde a Cassini-Huygens foi lançada, mas por todo o globo, dependendo da altitude em que o acidente aconteceu. Isto levou a sérias preocupações de alguns setores, com o divulgador da ciência Michio Kaku entre os líderes dos protestos exigindo que o lançamento fosse eliminado, mas a Cassini-Huygens prosseguiu sem problemas, assim como todas as missões RTG subsequentes.
É claro que se toma cuidado para garantir que, caso ocorra um acidente, o material radioativo esteja protegido da melhor forma possível. O risco é minimizado ao embalar esse material radioativo dentro de blocos de grafite extremamente duráveis, reforçados por uma camada de irídio e cercados por um aeroshell para proteger o RTG caso ele sofra uma reentrada atmosférica.
Embora isto não forneça uma garantia absoluta, poder-se-ia imaginar que qualquer reactor de fissão lançado no espaço exigiria protocolos de segurança semelhantes. Na verdade, existem restrições regulatórias muito rigorosas, tanto nos Estados Unidos como internacionalmente, no que diz respeito enviando material nuclear para o espaço.
Há também a questão de que a fissão nuclear é um processo altamente tóxico. Envolve dividir o átomoproduzindo resíduos radioativos e também energia. Ao utilizar reactores de fissão no espaço, estamos essencialmente a enviar pequenos pacotes de resíduos tóxicos através do sistema solar, o que poderá no futuro revelar-se perigoso para qualquer astronauta que os encontre, ou para quaisquer biosferas que possam existir noutros planetas ou luas, como Marte ou Europacaso um desses pacotes tóxicos caia ali.
A história da propulsão elétrica nuclear
Esta não é a primeira vez que a NASA brinca com o uso de propulsão elétrica nuclear. Em 1965, a agência lançou a missão SNAP-10A, que foi a primeira e até agora a única vez que a propulsão elétrica nuclear foi implantada com sucesso. Foi também a primeira vez que um reator nuclear foi lançado ao espaço. Esse reator funcionou bem por 43 três dias antes de desenvolver uma falha e desligar, de acordo com o Departamento de Energia dos EUA.
No entanto, nos 61 anos desde o SNAP-10A, não houve mais missões que demonstrassem com sucesso a propulsão elétrica nuclear, mas houve muitas tentativas de fazê-lo. O projeto mais recente da NASA foi DRACOo foguete de demonstração para operações ágeis cislunares, em conjunto com DARPA, Lockheed Martin e BWX Technologies.
Infelizmente, o programa DRACO foi interrompido em Janeiro de 2025 devido a desafios técnicos e regulamentares, antes de ser cancelado naquele verão quando foi deixado de fora da proposta de orçamento federal para 2026. A DARPA alegou que os custos do programa já não correspondiam aos benefícios, uma vez que os custos normais de lançamento estavam a diminuir.
Agora, porém, a NASA parece ter mudado de tom com o seu interesse renovado na propulsão elétrica nuclear. Há certamente fortes argumentos de que a utilização da energia nuclear é vital se quisermos lançar missões interplanetárias mais regulares e enviar astronautas e cargas massivas para Marte ou para outro lugar.
No entanto, o tempo está certamente contra a NASA lançar a missão em 2028 como planeado, e resta saber se, depois de mais de sessenta anos de tentativas, a NASA conseguirá finalmente fazer com que a tecnologia funcione. Se o fizerem, então o aumento da eficiência e da potência que pode trazer aos motores de propulsão eléctricos poderá transformar as viagens espaciais, quer seja levar astronautas a Marte ou conduzir missões científicas ao sistema solar exterior.
