As primeiras pessoas a pisarem em Marte não chegaram lá a bordo de foguetes movidos a compostos químicos como os que levaram a tripulação da Apollo 11
para a Lua – eles simplesmente não são o suficiente para gerar o impulso necessário para chegar ao planeta vermelho antes de expor sua tripulação a meses de radiação espacial perigosa. Em vez disso,a NASA está se voltando para foguetes
termonucleares há muito ignorados para levar os primeiros exploradores
para Marte.
Como a NASA vai criar um foguete melhor
Foguetes termonucleares não são uma tecnologia nova. Na verdade, pesquisadores começaram a discutir a possibilidade de usar energia nuclear para impulsionar foguetes e aeronaves lá atrás, em 1942, após Enrico Fermi ser sucesso com testes de reatores de fissão. Em 1944, equipes do Laboratório de Metalurgia da Universidade
de Chicago e do Laboratório Nacional Los Alamos desenvolveram um design inicial termonuclear que usava um reator de fissão para superaquecer gás hidrogênio que então escaparia por um pequeno bico e geraria o impulso. Como combustível
nuclear é 107 vezes mais denso em energia do que o químico e foguetes
similarmente poderosos pesariam cerca de metade, os foguetes
termonucleares (NTR, na sigla em inglês) podem transportar carga para alimentar
de 1:1 a até 7:1 especialmente
quando usadas em estágio superior. O design gerou interesse das forças aéreas dos Estados Unidos (USAF), que conduziram testes no Laboratório Nacional de
Oak Ridge entre 1947 e 1949.
O desenvolvimento desta tecnologia ficou parado por alguns anos antes de
Los Alamos começar o desenvolvimento do ICBM movido a tecnologia nuclear em 1955 e expandir a motores a jato nucleares em 1956. Mas em 1957, a USAF
determinou que a tecnologia não era adequada para uso militar, e no lugar recomendou as tecnologias não-nucleares fossem transferidas para a
recém-formada National Aeronautics and Space Administration (a NASA!) e assim começou o Projeto Rover.
O Projeto Rover durou de 1955 até o seu cancelamento em 1972, e em 1961
já tinha se desenvolvido tão rápido e sido tão bem sucedido que o Centro de Voos Espaciais Marshall começou a fase barulho sobre ser autorizado a
usar um em um RIFT
(teste de reator durante um voo) em 1964, um marco de desenvolvimento que permitiria a construção e lançamento do estágio final do protótipo. Em resposta, o Escritório de Propulsão Nuclear Espacial foi criado em 1961 para observar e
planejar operações assim como facilitar a cooperação entre a NASA, que estava
focada em sistemas de voo e design de motores, e a Comissão de
Energia Atômica, que desenvolveu a tecnologia do reator. O primeiro diretor do escritório foi H. B. “Harry” Finger, não pensada nos absurdos do RIFT, no entanto,
e adiou o lançamento, exigindo um rigoroso conjunto de métricas de desempenho
a ser atingido antes dos motores saírem do chão.
Do lado da NASA, o Projeto NERVA tinha a missão específica de criar um motor
digno para o espaço, possível para uma missão e, mais importante, realmente termonuclear. Os mais de 20 designs de foguetes diferentes produzidos nestes
17 anos constituíram em várias etapas: o Kiwi, um protótipo que não foi feito com o intuito de voar foi desenvolvido entre 1955 e 1964. o maior e intermediário
Phoebus foi desenvolvido entre 1964 e 1969; e o Pewee, que funcionou entre 1970
e 1971 até ser substituído pelo design de fornalha nuclear. A série de foguetes
nucleares experimentais viu um desenvolvimento simultâneo entre as plataformas Phoebus e Pewee entre 1964 e 1968.
Um par de reatores nucleares para cada modelo foi desenvolvido no sítio Pajarito
de Los Alamos – um para experimentos críticos, um estado em que o reator passa
por uma reação de fissão a temperaturas baixas o suficiente para gerar
efeitos térmicos insignificantes, e um para testes com força total no sítio remoto de Nevada (o que ajudava quando os motores testados explodiam e espalhavam
material nuclear ao retor do lugar). O complexo super-secreto Sigma ficou com a produção de plutônio-238, um primo não-fissurável do Plutônio-239 usado nas bombas nucleares
lançadas no Japão.
As primeiras versões do modelo de teste KIWI foram disparadas pela primeira vez
no meio de 1959. Composto por uma pilha de placas de óxido de urânio não
revestido mergulhados em hidrogênio líquido, era um motor apenas
nas mais remotas
definições, mas produzia impressionantes 70 MW de eletricidade e
gerava exaustão de 2683 graus Kelvin. A segunda versão, o KIWI B,
trocou as placas de urânio por pequenas bolas feitas de dióxido de urânio,
suspenso em uma matriz de grafite, revestida com carboneto de nióbio. Hidrogênio líquido fluiu através destes feixes para gerar exaustão. Além da eletricidade e impulsão, os primeiros designs de KIWI tinham falhas que nunca foram resolvidas
até o fim do programa. Uma delas era que eles sacudiam e vibravam – muito. O suficiente para quebrar os pacotes de combustível, tornando-os inúteis.
Também eram tão quentes que o vapor super-aquecido corroía as paredes do
reator.
O perigo de uma falha catastrófica conhecida como uma brecha de contenção era
muito real durante o teste. Estas falhas – causadas por sondas impactando no solo,
fuga de fissão ou falhas de projeto – tanto na atmosfera quanto em órbita poderiam fazer chover radiação em uma enorme parte de terra. Então em 1965,
os pesquisadores explodiram propositalmente um reator KIWI no meio de Jackass Flats, parte do sítio de testes de Nevada. A explosão resultante despejou
precipitação para matar tudo a 160 metros e envenenar tudo até 600 metros de distância. A quantidade de precipitação depende do formato do combustível que o motor roda, com barras de combustível sólido e esferas enterradas em matrizes de carbono espalhando mais radiação que as contrapartes líquidas e gasosas.
Após cinco anos de desenvolvimento do KIWI, a NASA se voltou para um
motor muito maior, a série Phoebus. O teste inicial do foguete em 1959 produziu
1064 MW de força e 2370 graus Kelvin de exaustão em 10 minutos. Estas
estatísticas saltaram para 1500 MW em 30 minutos em 1967 e ganharam o título de
“o mais potente reator nuclear já produzido” quando o Phoebus A-2 liberou
incríveis 4000 MW de carga elétrica em apenas 12 minutos. Isso é 4GW de energia, equivalente à produção total de Chernobyl – suficiente para iluminar 3 milhões de casas –
gerado em um quarto de hora.
Na outra extremidade de escala de poder estava os modelos stout de 500MW
baseados nos desenhos originais do KIWI. Eles foram criados para testar um novo revestimento de carboneto de zircônio para substituir o carboneto de nióbio
original. Eles também foram usados como base para o moderno design de
11 toneladas de foguete termonuclear feito pela NERVA conhecido como NDR.
O design do Pewee reduziu a corrosão causada pelo combustível em fator três.
Durante este tempo, a NASA também testou diferentes designs de foguete resfriados com água, conhecido como NF-1.
Outro desdobramento dos projetos originais KIWI foi o NERVA NRX, que começou a ser testado em 1964 e evoluiu para o NERVA NRX/XE – um foguete nuclear próximo de estar pronto para voar. O escritório de assuntos espaciais testou o motor XE 28 vezes em 1968, lançando em uma câmara de baixa pressão para imitar os efeitos do vácuo do espaço. Em todo os testes, o motor gerou mais de 1100MW de energia assim como 334kN de impulsão – o que o escritório exigia ser atingido antes de permitir um lançamento, assim como a quantidade que a agência precisava para efetivamente levar astronautas para Marte. Durante o teste, o motor rodou por mais de duas horas no total, 28 deles com força máxima, e só parou quando queimou todos os 17kg de combustível.
Este sucesso, em combinação com Los Alamos resolvendo três problemas de materiais, criaram uma grande quantidade de potenciais usuários dos novos foguetes nucleares. Alguns deles queriam substituir os propulsores J-2 usados no segundo e quarto estágio do Saturn I e IV. Outros queriam eles sendo usados como “reboques espaciais”, pegando objetos da órbita e lugares mais altos. Infelizmente, nenhuma dessas ideias saiu do papel já que todo o projeto foi cancelado no fim de 1972, efetivamente na primavera de 1973.
Os Estados Unidos já tinham colocado um homem na Lua naquele momento, a era Apollo estava sendo substituída pela era Shuttle, a opinião pública estava começando a se voltar contra a tecnologia nuclear, o Congresso tinha perdido os nervos quando encontrou os efeitos que uma missão tripulada para Marte fariam no orçamento nacional. E sem uma missão para Marte, não havia motivos para o desenvolvimento do NTR. Então mesmo atingindo todas as métricas exigidas, exceto duas – reiniciar 60 vezes e rodar um total de dez horas – o projeto foi encerrado.
Como os foguetes termonucleares funcionam
Todos os foguetes Rover/NERVA rodaram com plutônio-238, um isótopo não-fissurável com meia-vida de 80 anos. Com uma meia-vida curta e a relativa
dificuldade de separar os isótopos específicos do plutônio natural, o Pu-238 é normalmente sintetizado usando o mesmo método originalmente desenvolvido
pelos pesquisadores Glenn T. Seabord e Edwin McMillan em 1940 – bombardear
uma amostra de Urânio-238 com deutério.
O plutônio é uma commodity valiosa para a exploração espacial onde quantidades insuficientes de luz solar tornam os painéis solares inúteis. O gerador termoelétrico de radioisótopo (RTG) da NASA rodam com Pu-238. Enquanto o plutônio é um condutor fraco de eletricidade, sua emissão de partículas alfa como parte do seu processo de deteriorização gera uma grande quantidade de calor para rodar o RTG. As famosas sondas Voyager, a nave espacial Cassini e a Curiosity e a nova sonda New Horizon
todas dependem de energia nuclear para as operações.
Núcleo Sólido
O mais simples design de núcleo usa combustível sólido (como as placas do KIWI e do Phoebus) para superaquecer o hidrogênio. A quantidade de calor, e consequentemente a impulsão que este design consegue produzir varia de 22 graus K para mais de 3000 graus K e só é limitado pelo ponto de fusão dos componentes do reator ao redor. Trabalhando com propulsores de hidrogênio líquido, um núcleo sólido consegue produzir um impulso específico de 950 a 1000 segundos – o dobro do que o motor principal da Space Shuttles faz.
Núcleo Líquido
Se, em vez de enterrar o combustível nuclear em matrizes de grafite, as pastilhas de combustível fossem misturadas diretamente no líquido em si, o motor resultante seria capaz de gerar temperaturas além do ponto de fusão do combustível nuclear – teoricamente, pelo menos. Ninguém é capaz de criar um desses. Prender o combustível radioativo no motor enquanto permite que o fluído saia é bem difícil, no entanto, projetos de rotação usam a força centrípeta para separar os dois e têm se mostrado uma grande promessa.
Núcleo gasoso
Um reator de núcleo gasoso é mais difícil do que um líquido, exigindo um bolso rotativo de gás urânio rodeado por vapor de hidrogênio. Já que o combustível não entraria em contato com as paredes quentes da câmara, ele seria intensamente quente (na magnitude de muitas dezenas de milhares de graus K) e produziria 30 a 50kN em 3000 a 5000 segundos.
NASA vai de volta para o futuro
Após um hiato de algumas décadas, tanto a NASA quando a Agência Espacial Federal Russa (que desenvolveu muitos dos seus próprios NTRs durante a guerra fria mas nunca testou fisicamente nenhum deles) anunciaram em abril de 2012 que reviveriam a tecnologia de foguetes termonucleares e coordenariam um projeto conjunto de US$ 600 milhões com potencial envolvimento de França, Reino Unido, Alemanha, China e Japão.
O Centro de Voo Espacial Marshall também está preparando o seu próprio Estádio de Propulsão Criogênica Nuclear como parte do futuro Sistema de Lançamento Espacial. Este estágio seria super-refrigerado pelo fornecimento de combustível hidrogênio líquido e seria incapaz de iniciar uma reação de fissão até estar seguramente fora da atmosfera. No entanto, já que os testes acima do solo foram universalmente banidos desde a última vez que a NASA mexeu com NTRs, pesquisadores estão usando um simulador chamado NTREES. Este modelo pode simular as interações entre vários componentes de um motor NTR, permitindo que cientistas aperfeiçoem os designs e aspectos de engenharia sem o risco de espalhar uma chuva nuclear.
informação que ganhamos usando esta instalação para teste vai permitir que engenheiros criem elementos eficientes e sistemas de propulsão nuclear”, diz o pesquisador da NASA na instalação NTREES, Bill Emrich. “É a nossa esperança que isso permita desenvolver um motor de foguete nuclear confiável e de custo efetivo em um futuro não muito distante.”
Além de desenvolver tecnologias revolucionárias de motores, a NASA também está encarando uma espécie de falta de combustível. Os Estados Unidos não produzem plutônio-238 desde os anos 1980 e os estoques existentes são usados para RTGs. Algumas estimativas dizem que todo o suprimento acabará até o fim desta década.
É por isso que a NASA não está perdendo tempo e anunciou que o DoE vai produzir Pu-238 novamente a partir de 2017. “Nós vamos iniciar o projeto de produção de plutônio”, disse Wade Caroll, diretor-adjunto de sistemas de energia de defesa e espaço. “Provavelmente vai levar de cinco a seis anos até o próximo plutônio estar disponível.”
Os planos do DoE são de produzir um total de até 1,8kg do isótopo anualmente, o suficiente para satisfazer as nossas missões robóticas planetárias. Tudo o que precisamos agora é uma espaçonave interplanetária. Nenhum problema.
Matéria Original do GIZMODO