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

Tal desenvolvimento, se voou, poderia inaugurar uma nova era de voos espaciais. Dito isto, é apenas uma das várias avenidas 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:combustível sólido (como os propulsores de foguetes sólidos no ônibus espacial), e com combustível líquido (como o Saturn V).

Em ambos os casos, uma reação química é empregada para produzir um calor gás altamente pressurizado dentro de uma câmara de combustão. O bico do motor fornece a única saída para este gás que, consequentemente, se expande para fora dele, fornecendo impulso.

A reação química requer um combustível, como hidrogênio líquido ou alumínio em pó, e um oxidante (um agente que produz reações químicas) como o 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 impulso e eficiência de combustível em um determinado projeto.

Recentemente, a empresa privada SpaceX tem conduzido voos de teste de seu protótipo de lançador Starship. Este veículo usa um "motor de combustão em estágio de fluxo total (FFSC), "o Raptor, que queima metano para combustível e oxigênio para 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. Estes determinam a massa de um elemento - quanto mais prótons e nêutrons, o mais pesado 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, criar um gás de alta pressão dentro da câmara do reator. Como com foguetes químicos, isso só pode escapar pelo bocal do foguete, novamente produzindo impulso. 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, eles são muito mais eficientes do que foguetes químicos - para uma determinada massa de propelente, eles podem acelerar uma espaçonave a velocidades muito mais altas.

Foguetes de fissão nuclear nunca foram lançados no espaço, mas eles foram testados no terreno. 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. Desvantagens óbvias, Contudo, incluem a produção de rejeitos radioativos, e a possibilidade de uma falha de lançamento que poderia resultar em material radioativo se espalhando por uma vasta 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 humano adulto.

Propulsão elétrica

Um marco da ficção científica, drives de íons reais geram partículas carregadas (ionização), acelere-os usando campos elétricos e depois dispare-os de um propulsor. O propelente é um gás como o xenônio, um elemento bastante pesado que pode ser facilmente carregado eletricamente.

Conforme os átomos de xenônio carregados aceleram para fora do propulsor, eles transferem uma quantidade muito pequena de momento (o produto da massa e da velocidade) para a espaçonave, fornecendo impulso suave. Embora lento, as unidades de íons estão entre os métodos de propulsão de naves espaciais mais eficientes em termos de combustível, isso poderia 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, efetivamente tornando-os 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

Embora a propulsão geralmente requeira propulsor de alguma descrição, um método mais "verde" baseado apenas na luz do próprio Sol.

As velas contam com a propriedade física de conservação do momento. Na terra, estamos acostumados a ver este momento como uma pressão dinâmica de partículas de ar soprando em uma folha ao navegar, impulsionar um navio para a frente. A luz é composta de fótons, que não têm massa, mas eles têm impulso 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, fornecendo 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 a 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 muito intensos de fótons que podem ser direcionados para uma vela para fornecer uma aceleração muito maior, mas exigiria ser construído na órbita da Terra para evitar a perda de intensidade na atmosfera. Lasers também foram propostos como um meio de retirar a órbita do 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. Contudo, como empresas privadas e agências espaciais nacionais estão cada vez mais se comprometendo com uma presença humana sustentável no espaço, esses meios alternativos de propulsão se tornarão mais comuns e terão o potencial de revolucionar nossa nascente civilização espacial.

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