Com sonhos de Marte nas mentes da NASA e de Elon Musk, missões tripuladas de longa distância através do espaço estão chegando. Mas você pode se surpreender ao saber que os foguetes modernos não vão muito mais rápido do que os foguetes do passado.

Existem muitas razões pelas quais uma nave espacial mais rápida é melhor, e foguetes movidos a energia nuclear são uma maneira de fazer isso. Eles oferecem muitos benefícios em relação aos foguetes de queima de combustível tradicionais ou foguetes elétricos movidos a energia solar modernos, mas houve apenas oito lançamentos espaciais dos EUA carregando reatores nucleares nos últimos 40 anos.

Contudo, no ano passado, as leis que regulam os voos espaciais nucleares mudaram e os trabalhos já começaram nesta próxima geração de foguetes.

Por que a necessidade de velocidade?

A primeira etapa de uma viagem espacial envolve o uso de foguetes de lançamento para colocar uma nave em órbita. Esses são os grandes motores que queimam combustível que as pessoas imaginam quando pensam em lançamentos de foguetes e provavelmente não desaparecerão no futuro próximo devido às restrições da gravidade.

É quando um navio chega ao espaço que as coisas ficam interessantes. Para escapar da gravidade da Terra e alcançar destinos no espaço profundo, navios precisam de aceleração adicional. É aqui que os sistemas nucleares entram em jogo. Se os astronautas quiserem explorar algo além da Lua e talvez Marte, eles precisarão estar indo muito, muito rápido. O espaço é enorme, e tudo está longe.

Há duas razões pelas quais foguetes mais rápidos são melhores para viagens espaciais de longa distância:segurança e tempo.

Os astronautas em uma viagem a Marte seriam expostos a níveis muito altos de radiação, que podem causar sérios problemas de saúde a longo prazo, como câncer e esterilidade. A blindagem contra radiação pode ajudar, mas é extremamente pesado, e quanto mais longa a missão, mais blindagem é necessária. A melhor maneira de reduzir a exposição à radiação é simplesmente chegar onde você está indo mais rápido.

Mas a segurança humana não é o único benefício. À medida que as agências espaciais investigam mais longe no espaço, é importante obter dados de missões não tripuladas o mais rápido possível. A Voyager-2 levou 12 anos apenas para chegar a Netuno, onde tirou algumas fotos incríveis enquanto voava. Se a Voyager-2 tivesse um sistema de propulsão mais rápido, os astrônomos poderiam ter tido essas fotos e as informações que elas continham anos antes.

A velocidade é boa. Mas por que os sistemas nucleares são mais rápidos?

Sistemas de hoje

Uma vez que uma nave escapou da gravidade da Terra, existem três aspectos importantes a considerar ao comparar qualquer sistema de propulsão:

• Impulso - quão rápido um sistema pode acelerar uma nave
• Eficiência de massa - quanto impulso um sistema pode produzir para uma determinada quantidade de combustível
• Densidade de energia - quanta energia uma determinada quantidade de combustível pode produzir

Hoje, os sistemas de propulsão mais comuns em uso são a propulsão química, isto é, foguetes comuns de queima de combustível - e sistemas de propulsão elétrica movidos a energia solar.

Os sistemas de propulsão química fornecem muito empuxo, mas foguetes químicos não são particularmente eficientes, e o combustível de foguete não é tão denso em energia. O foguete Saturn V que levou os astronautas à Lua produziu 35 milhões de Newtons de força na decolagem e carregou 950, 000 galões de combustível. Embora a maior parte do combustível tenha sido usada para colocar o foguete em órbita, as limitações são aparentes:é preciso muito combustível para chegar a qualquer lugar.

Os sistemas de propulsão elétrica geram empuxo usando eletricidade produzida a partir de painéis solares. A maneira mais comum de fazer isso é usar um campo elétrico para acelerar íons, como no propulsor Hall. Esses dispositivos são comumente usados ​​para alimentar satélites e podem ter eficiência de massa cinco vezes maior do que os sistemas químicos. Mas eles produzem muito menos impulso - cerca de três Newtons, ou apenas o suficiente para acelerar um carro de 0-60 mph em cerca de duas horas e meia. A fonte de energia - o Sol - é essencialmente infinita, mas se torna menos útil quanto mais longe do Sol a nave fica.

Uma das razões pelas quais os foguetes movidos a energia nuclear são promissores é porque eles oferecem uma densidade de energia incrível. O urânio combustível usado em reatores nucleares tem uma densidade de energia 4 milhões de vezes maior do que a hidrazina, um propelente químico típico de foguetes. É muito mais fácil levar uma pequena quantidade de urânio para o espaço do que centenas de milhares de galões de combustível.

E quanto à eficiência de empuxo e massa?

Duas opções para nuclear

Os engenheiros projetaram dois tipos principais de sistemas nucleares para viagens espaciais.

O primeiro é chamado de propulsão térmica nuclear. Esses sistemas são muito poderosos e moderadamente eficientes. Eles usam um pequeno reator de fissão nuclear - semelhante aos encontrados em submarinos nucleares - para aquecer um gás, como o hidrogênio, e esse gás é então acelerado através de um bico de foguete para fornecer impulso. Engenheiros da NASA estimam que uma missão a Marte movida por propulsão térmica nuclear seria 20% -25% mais curta do que uma viagem em um foguete movido a produtos químicos.

Os sistemas de propulsão térmica nuclear são mais do que duas vezes mais eficientes do que os sistemas de propulsão química - o que significa que geram o dobro de empuxo usando a mesma quantidade de massa do propelente - e podem entregar 100, 000 Newtons de impulso. Isso é força suficiente para levar um carro de 0-60 mph em cerca de um quarto de segundo.

O segundo sistema de foguetes de base nuclear é chamado de propulsão elétrica nuclear. Nenhum sistema elétrico nuclear foi construído ainda, mas a ideia é usar um reator de fissão de alta potência para gerar eletricidade que alimentaria um sistema de propulsão elétrica como um propulsor Hall. Isso seria muito eficiente, cerca de três vezes melhor do que um sistema de propulsão térmica nuclear. Já que o reator nuclear pode gerar muita energia, muitos propulsores elétricos individuais podem ser operados simultaneamente para gerar uma boa quantidade de impulso.

Os sistemas elétricos nucleares seriam a melhor escolha para missões de alcance extremamente longo porque não requerem energia solar, têm uma eficiência muito alta e podem dar um impulso relativamente alto. Mas embora os foguetes elétricos nucleares sejam extremamente promissores, ainda há muitos problemas técnicos a serem resolvidos antes de serem colocados em uso.

Por que ainda não existem foguetes movidos a energia nuclear?

Os sistemas de propulsão térmica nuclear têm sido estudados desde 1960, mas ainda não voaram no espaço.

Os regulamentos impostos pela primeira vez nos EUA na década de 1970 exigiam essencialmente o exame caso a caso e a aprovação de qualquer projeto espacial nuclear de várias agências governamentais e a aprovação explícita do presidente. Junto com a falta de financiamento para pesquisa de sistemas de foguetes nucleares, esse ambiente impediu a melhoria dos reatores nucleares para uso no espaço.

Tudo mudou quando o governo Trump emitiu um memorando presidencial em agosto de 2019. Embora defendendo a necessidade de manter os lançamentos nucleares o mais seguro possível, a nova diretiva permite que as missões nucleares com menores quantidades de material nuclear ignorem o processo de aprovação de várias agências. Apenas a agência patrocinadora, como NASA, por exemplo, precisa certificar que a missão atende às recomendações de segurança. As missões nucleares maiores passariam pelo mesmo processo de antes.

Junto com esta revisão dos regulamentos, A NASA recebeu US $ 100 milhões no orçamento de 2019 para desenvolver a propulsão térmica nuclear. A DARPA também está desenvolvendo um sistema de propulsão térmica nuclear espacial para permitir operações de segurança nacional além da órbita terrestre.

Após 60 anos de estagnação, é possível que um foguete movido a energia nuclear vá para o espaço dentro de uma década. Esta conquista emocionante inaugurará uma nova era de exploração espacial. As pessoas irão a Marte e experimentos científicos farão novas descobertas em todo o nosso sistema solar e além.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.