[ARTIGO] Estamos Construindo Naves Espaciais Nucleares Novamente—Desta Vez, de Verdade.
Prezados leitores e leitoras do BS!
Ontem, em 22/07, o portal ARS TECHNICA publicou um interessante artigo sobre os recentes avanços no desenvolvimento de naves espaciais nucleares. Desta vez, as forças armadas dos EUA e a NASA parecem estar comprometidas com o desenvolvimento de protótipos funcionais de hardwares de demonstração.
Estamos Construindo Naves espaciais Nucleares Novamente—Desta Vez, de Verdade
Os militares e a NASA parecem estar sérios sobre construir hardware de demonstração.
Por Jacek Krywko*
22/07/2024 - 8:00hrs
Fonte: Website ARS TECHNICA - https://arstechnica.com
Crédito: DARPA
Phoebus 2A, o reator nuclear espacial mais poderoso já feito, foi ativado no Nevada Test Site em 26 de junho de 1968. O teste durou 750 segundos e confirmou que poderia transportar os primeiros humanos para Marte. Mas o Phoebus 2A não levou ninguém a Marte. Era muito grande, custava muito caro e não se alinhava com a ideia de Nixon de que não deveríamos ir a lugar algum além da órbita baixa da Terra.
Mas não foi a NASA que primeiro pediu por foguetes com motores nucleares. Foi o militar, que queria usá-los para mísseis balísticos intercontinentais. E agora, o militar os quer novamente.
Mísseis Balísticos Intercontinentais Nucleares
O trabalho em foguetes térmicos nucleares (NTRs) começou com o programa Rover iniciado pela Força Aérea dos EUA na metade dos anos 1950. O conceito era simples no papel. Pegue tanques de hidrogênio líquido e use bombas turbo para alimentar este hidrogênio através de um núcleo de reator nuclear para aquecê-lo a temperaturas muito altas e expulsá-lo através do bocal para gerar impulso. Em vez de causar a expansão do gás aquecendo-o em uma câmara de combustão, o gás era aquecido por entrar em contato com um reator nuclear.
Crédito: Tokino, vetorizado por CommiM na en.wikipedia
A principal vantagem era a eficiência do combustível. "Impulso específico", uma medida semelhante ao consumo de combustível de um foguete, poderia ser calculado a partir da raiz quadrada da temperatura do gás de exaustão dividida pelo peso molecular do propelente. Isso significava que o propelente mais eficiente para foguetes era o hidrogênio, porque tinha o menor peso molecular.
Em foguetes químicos, o hidrogênio tinha que ser misturado com um oxidante, o que aumentava o peso molecular total do propelente, mas era necessário para que a combustão ocorresse. Os foguetes nucleares não precisavam de combustão e podiam funcionar com hidrogênio puro, o que os tornava pelo menos duas vezes mais eficientes. A Força Aérea queria entregar eficientemente ogivas nucleares a alvos ao redor do mundo.
O problema era que operar reatores estacionários na Terra era uma coisa; fazê-los voar era completamente diferente.
Desafio dos Reatores Espaciais
As hastes de combustível feitas com óxido de urânio 235 distribuído em uma matriz de metal ou cerâmica compõem o núcleo de um reator de fissão padrão. A fissão ocorre quando um nêutron de movimento lento é absorvido por um núcleo de urânio 235 e o divide em dois núcleos mais leves, liberando enormes quantidades de energia e nêutrons rápidos em excesso. Esses nêutrons em excesso normalmente não provocam mais fissões, pois se movem rápido demais para serem absorvidos por outros núcleos de urânio.
Iniciar uma reação em cadeia que mantém o reator funcionando depende de desacelerá-los com um moderador, como água, que "modera" sua velocidade. Esta reação é mantida em níveis moderados usando hastes de controle feitas de materiais absorvedores de nêutrons, geralmente boro ou cádmio, que limitam o número de nêutrons que podem provocar fissão. Os reatores são ajustados para mais ou menos movimento movendo as hastes de controle para dentro e para fora do núcleo.
Traduzir qualquer parte disso para um reator voador é um desafio. O primeiro problema é o combustível. Quanto mais quente você faz o gás de exaustão, mais aumenta o impulso específico, então os NTRs precisavam que o núcleo operasse a temperaturas alcançando 3.000 K — quase 1.800 K mais altas do que os reatores terrestres. Fabricar hastes de combustível que pudessem sobreviver a essas temperaturas provou ser extremamente difícil.
Depois havia o hidrogênio em si, que é extremamente corrosivo nessas temperaturas, especialmente ao interagir com os poucos materiais estáveis a 3.000 K. Finalmente, os hastes de controle padrão também tinham que ser descartadas, porque no solo, elas eram gravitacionalmente lançadas no núcleo, e isso não funcionaria em voo.
O Laboratório Científico de Los Alamos propôs alguns projetos promissores de NTR que abordaram todos esses problemas em 1955 e 1956, mas o programa realmente acelerou depois de ser transferido para a NASA e a Comissão de Energia Atômica (AEC) em 1958. Lá, a ideia foi renomeada como NERVA, Motor Nuclear para Aplicações de Veículos Espaciais. NASA e AEC, abençoadas com um orçamento quase ilimitado, começaram a construir reatores espaciais — muitos deles.
Kiwi Tenta Voar
O primeiro desses reatores foi chamado Kiwi-A. O teste realizado em 1º de julho de 1959, provou que o conceito funcionava, mas havia diabos nos detalhes. As vibrações causadas pelo fluxo de hidrogênio danificaram o reator após apenas cinco minutos de operação a uma potência relativamente modesta de 70 megawatts. A temperatura atingiu 2.683 K, o que causou corrosão por hidrogênio nos bastões e expulsou partes do núcleo pelo bocal, um problema conhecido como "desprendimento".
Crédito: Laboratório Nacional de Los Alamos
Por outro lado, os tambores giratórios colocados ao redor do núcleo, que substituíram as hastes de controle padrão, funcionaram bem. Eram tubos longos feitos de material absorvedor de nêutrons que tinham um lado coberto com um revestimento que refletia os nêutrons de volta para o núcleo. O reator era acelerado girando os tambores para que eles enfrentassem o núcleo com o lado refletor e era desacelerado virando o lado absorvedor de nêutrons em direção ao núcleo.
Durante 18 anos, NASA, AEC e empreiteiras industriais como a Aerojet Corporation construíram e testaram um total de 23 reatores. "O último motor no programa Rover/NERVA foi o XE Prime. Eles o testaram em um ambiente de vácuo e o elevaram ao TRL 6", disse a Dra. Tabitha Dodson, gerente de programa do Escritório de Tecnologia Tática da DARPA. TRL 6 significa "nível de prontidão tecnológica 6" — atingir 7 significaria colocar um motor de demonstração no espaço.
Isso não significava "livre de problemas", no entanto. Problemas de desprendimento e rachaduras de combustível persistiram em todos os motores NERVA em diversos graus. Mas o que acabou com o NERVA em 1973 foi uma mudança nos objetivos da NASA longe do espaço profundo e em direção à órbita baixa da Terra. E o NERVA não era necessário para isso.
Expresso Nuclear para Marte
Levou mais de 40 anos antes de a NASA trazer de volta a propulsão nuclear, primeiro no projeto efêmero Jupiter Icy Moon Orbiter e depois na arquitetura de referência de projeto para a exploração humana de Marte. Alimentar essas missões com um reator compacto poderia reduzir o trânsito para Marte em mais da metade, para três a quatro meses em comparação com os seis a nove meses previstos para motores de foguete químicos. Menos tempo no espaço significava menos exposição à radiação para os astronautas e menos suprimentos para a viagem.
Assim, em 2017, a NASA iniciou um programa de pesquisa de NTR em pequena escala com o título genérico "Desenvolvimento de Tecnologia de Propulsão Nuclear". Esse programa teve como objetivo o desenvolvimento de novos materiais e novas técnicas para reatores pequenos, com foco na superação dos desafios técnicos que impediram os NTRs de se tornarem operacionais na década de 1970.
E então, em 17 de junho de 2020, a DARPA entrou na conversa e disse: "Queremos um foguete nuclear." Não apenas outro estudo teórico - um demonstrador.
Perseguindo o Sputnik 2.0
O site da DARPA afirma que sempre teve uma missão singular de investir em tecnologias revolucionárias para segurança nacional. O que uma nave espacial nuclear tem a ver com segurança nacional? A perspectiva militar foi sugerida pelo General James Dickinson, oficial do Comando Espacial dos EUA, em seu testemunho perante o Congresso em abril de 2021.
Ele disse que "Pequim busca superioridade espacial através de sistemas de ataque espacial" e mencionou informações coletadas sobre o Shijian-17, um satélite chinês equipado com um braço robótico que poderia ser usado para "agarrar outros satélites". Isso pode parecer um exagero ridículo, mas foi o suficiente para obter a aprovação para uma nave espacial nuclear.
E a preocupação aparente com ameaças hipotéticas continuou. O objetivo do projeto Demonstração de Foguete para Operações Cislunares Ágeis (DRACO), conforme declarado em sua avaliação ambiental, era "fornecer ativos baseados no espaço para dissuadir ataques estratégicos por adversários". As preocupações de Dickinson sobre a China também foram citadas lá.
"Diga que você tem uma missão crítica em que precisa ir rapidamente de A para B no espaço cislunar ou precisa monitorar outro país que está fazendo algo perto ou ao redor da Lua, e precisa se movimentar muito rapidamente. Com uma plataforma como o DRACO, você pode fazer isso", disse Dodson da DARPA.
Dois anos após a intervenção da DARPA, a fase de design preliminar foi concluída, e a Lockheed ganhou um contrato de meio bilhão de dólares para construir o DRACO. Mas a DARPA não foi a única a pagar. A NASA também contribuiu. As duas agências tornaram o DRACO um projeto conjunto e dividiram a conta meio a meio.
NERVA da Próxima Geração
No entanto, construir o DRACO nos colocaria diante de outro problema: usá-lo. "Existem uma série de desafios regulatórios e técnicos", disse Kirk Shireman, vice-presidente da Lockheed Martin Space, que supervisiona o projeto DRACO. Para começar, disparar motores nucleares ao ar livre em algum lugar do deserto de Nevada estava fora de questão. Apenas construir instalações em conformidade com todas as regulamentações levaria anos.
Depois, havia o combustível. Os reatores NERVA funcionavam com urânio altamente enriquecido usado na fabricação de armas nucleares. Se algo desse errado no lançamento, cerca de 700 quilogramas de urânio de qualidade para armas cairiam repentinamente do céu. E você só precisa de cerca de 25 quilogramas dele para fazer uma bomba.
É por isso que o DRACO usará um novo combustível chamado urânio de baixo enriquecimento e alto teor (HALEU) - um material físsil feito misturando o urânio altamente enriquecido para abaixo de 20% de enriquecimento. "Você pode relaxar alguns requisitos de segurança ao mudar para o HALEU", disse Joe Miller, vice-presidente da BWXT Technologies, uma empresa especializada em reatores navais escolhida pela Lockheed Martin para construir o reator para o DRACO. E embora seja possível fazer uma bomba com HALEU em certas circunstâncias, é muito mais difícil do que com urânio altamente enriquecido, que era indispensável em todos os reatores NERVA.
Depois de resolver o problema do combustível, a BWXT passou a projetar o próprio reator. "O uso de HALEU determina a geometria interna do reator", diz Miller. Para evitar reinventar a roda, a equipe de Miller começou vasculhando grandes pilhas de relatórios do programa NERVA. Mas em comparação com os projetos NERVA, sua equipe usou canais diferentes para rotear o hidrogênio através do núcleo do reator e sistemas de gerenciamento térmico que transferem o calor para o hidrogênio.
Crédito: NASA
Sessões de Brown Bag
"Nosso engenheiro-chefe era um pouco historiador e bibliotecário, então ele estava cavando todos esses relatórios, escaneando-os e integrando-os em nossas revisões de design. Muitas fotos em preto e branco. Muitos gráficos antigos dos testes. Aprendemos com isso. Isso foi extremamente relevante", disse Miller.
Uma das coisas chave que a BWXT encontrou nos relatórios NERVA foi a dados sobre a fissuração induzida por hidrogênio do combustível do reator. "Nós demos [os relatórios] para nossos jovens cientistas de materiais, e eles foram capazes de usá-los como base para as primeiras decisões de design que estavam tomando", disse Miller. O resultado, ele disse, foi um revestimento que poderia suportar temperaturas do reator sem fissuras. "Criamos nossa própria formulação interna do combustível nuclear que não posso realmente falar em público", disse ele.
Construir um reator espacial é desafiador, mas pelo menos já foi feito antes. O que não foi feito é construir uma nave espacial em torno dele.
A Primeira Nave Espacial Nuclear
DRACO será uma nave de tamanho médio, com menos de 15 metros de comprimento e um diâmetro abaixo de 5,4 metros - dimensões ditadas pelo tamanho do carenagem de carga útil padrão do foguete Vulcan Centaur no qual provavelmente será lançado. "Estamos familiarizados com hidrogênio líquido, engenharia de sistemas espaciais e integração. Temos o conjunto de habilidades e as pessoas certas para construir isso", disse Shireman.
DRACO funcionará como foguetes do tipo NERVA, com tanques de hidrogênio localizados na cabeça do compartimento de propulsão, turbomáquinas alimentando este hidrogênio através do núcleo (colocados bem atrás deles), mas separados do núcleo por um escudo de radiação. O reator HALEU será cercado por tambores de controle e ficará na frente de um bocal de escape. Baseado nos requisitos da DARPA, DRACO terá pelo menos 700 segundos de impulso específico, o que é mais de 300 segundos melhor do que o RL-10, o motor espacial químico mais eficiente que temos.
"O principal desafio técnico aqui é trabalhar com hidrogênio líquido armazenado a 20 K - muito, muito frio e moléculas realmente escorregadias que gostam de escapar de onde você os coloca", disse Shireman. Para o DRACO, a Lockheed optou por resfriamento passivo de hidrogênio. Os tanques serão termicamente isolados para evitar que o Sol os aqueça. Dessa forma, o hidrogênio deve permanecer a 20 K tempo suficiente para completar todos os testes. Para missões mais longas, as naves espaciais nucleares precisariam depender de resfriamento ativo.
Testando o DRACO
Porque há um reator nuclear a bordo, Lockheed e BWXT garantiram que os riscos de qualquer falha catastrófica potencial fossem reduzidos ao mínimo absoluto e que houvesse um plano de contingência para cada cenário.
E se a plataforma de lançamento falhar e o DRACO cair em algum lugar perto de seu local de lançamento na Flórida? Isso não será mais um problema do que uma falha de um motor convencional, já que o reator só será ativado por seus tambores de controle após alcançar uma órbita segura a pelo menos 700 quilômetros da Terra.
Uma queda no oceano? Isso é um pouco mais complicado porque a água é um moderador e iniciaria a reação de fissão em cadeia, basicamente ligando o reator independentemente do que os tambores de controle fizerem. Mas o DRACO foi projetado para evitar isso também. Em tal caso, veneno de nêutrons, um material que absorve nêutrons e interrompe imediatamente a reação, seria implantado diretamente no núcleo.
A verdadeira viagem de teste começará quando o DRACO alcançar sua órbita alvo. "Primeiro, vamos fazer uma série de verificações, garantir que todos os sensores e atuadores estejam funcionando. Então, aos poucos, vamos começar a ligar o reator", disse Dodson. Este será um momento de verdade para o DRACO, pois o programa não inclui testes em terra com um reator ligado.
"Porque o combustível do DRACO usa urânio com menor enriquecimento do que o NERVA, precisamos usar mais moderador. Além disso, esperamos um fenômeno que chamamos de feedback de temperatura negativo, onde um reator desliga à medida que aquece. É um dos desconhecidos interessantes neste projeto, e estamos esperando reunir mais dados sobre como funciona", afirma Dodson.
"É como um carro de performance novo. Você não o leva para fora e o acelera ao máximo logo de cara. Vamos aumentar gradualmente a performance e, finalmente, se tivermos a oportunidade de mostrar algo significativo, talvez nós iremos usar toda a potência", disse Dr. Anthony Calomino, gerente do portfólio de Tecnologia Nuclear Espacial da NASA. Esse "algo significativo" é um impulso específico alto o suficiente para levar humanos a Marte. Mas não é só isso.
Rios Preguiçosos
O problema em alcançar destinos como a Lua ou Marte tem sido que não podemos ir diretamente. Você não aponta seu foguete convencional para a Lua e dispara, estilo Júlio Verne, esperando chegar lá. "Esses foguetes não podem se mover completamente por conta própria. Eles usam órbitas fractais complexas que passam pelos pontos de Lagrange, como se estivessem seguindo correntes eddianas gravitacionais no espaço cislunar — 'rios preguiçosos', como gosto de chamá-los", disse Dodson.
Pense como se estivesse entrando em um barco pequeno em Liverpool com combustível apenas o suficiente para alcançar a corrente oceânica mais próxima, porque você calculou que essa corrente eventualmente o levará até Nova York. É assim que nos movemos no espaço hoje. DRACO é projetado para ser o primeiro passo para avançar com cruzadores espaciais nucleares.
"Há aplicações civis também", disse Calomino. "Trata-se de posicionar cargas úteis deixadas pela Terra em órbitas baixas, onde um rebocador espacial pode pegá-las e transportá-las de volta e para a Lua". Tais rebocadores espaciais nucleares, ele sugeriu, se tornariam a espinha dorsal de um novo sistema de transporte cislunar.
E talvez a melhor coisa sobre esses rebocadores espaciais seja que os reatores podem durar anos. "Sabemos que há água na superfície da Lua. Você pode processar essa água para obter hidrogênio e usá-lo para abastecer sua nave da mesma forma que abastece um carro. O reator em si vai operar por um tempo muito longo", disse Calomino.
Além do abastecimento, há outra coisa que carros e naves espaciais nucleares têm em comum: podemos turbiná-los.
Nave Espacial Nuclear Turbinada
"Minha formação é em dinâmica de fluidos hipersônicos, principalmente em veículos reentrando na atmosfera. Eu participei das palestras que a NASA deu sobre os problemas de ir a Marte que nem mesmo os NTRs poderiam resolver", disse Ryan Gosse, professor de prática do Herbert Wertheim College of Engineering da University of Florida. Gosse e sua equipe pensaram que poderiam resolver alguns desses problemas ajustando os NTRs com turbocompressores.
A ideia de Gosse se baseava no uso de um rotor de ondas. "Nos carros, isso é chamado de compressor ou turbocompressor", explicou Gosse. Em seu conceito de NTR, um rotor de ondas é instalado entre a saída do núcleo do reator e o bocal de escape para aumentar ainda mais a temperatura dos gases de escape.
"O fator limitante para o NTR é a temperatura do núcleo do reator. Hoje, isso está em cerca de 3.000 K, o que proporciona cerca de 900 segundos de impulso específico", disse Gosse. Segundo seus cálculos, um rotor de ondas deveria aumentar isso para 1.400 segundos — o dobro do DRACO. Gosse e sua equipe propuseram esse conceito para o NIAC, um programa da NASA que financia ideias inovadoras em estágio inicial, e em 2023 conseguiram financiamento para realizar uma avaliação detalhada de viabilidade.
Mas o rotor de ondas não é a única coisa única na nave de Gosse. A verdadeira magia começa quando o motor NTR termina sua queima. A nave vai se virar, voando bocal primeiro. Em seguida, ela vai alternar o reator para o modo de usina ao redirecionar seu hidrogênio aquecido para longe do bocal e para um circuito fechado com turbinas geradoras de energia, usando a eletricidade para alimentar um tipo específico de propulsor de íons que está ligado à extremidade oposta da espaçonave. Eles aumentarão o impulso específico de 1.400 para mais de 10.000 segundos.
Crescendo e Mantendo a Calma
Um sistema de propulsão bimodal como esse foi sugerido pela primeira vez no final do programa NERVA. No entanto, houve dois problemas.
Primeiro, os propulsores elétricos sempre foram usados para impulsionar espaçonaves pequenas e não tripuladas. Dimensioná-los para acomodar os milhares de megawatts gerados por reatores nucleares exigiria espaçonaves enormes. "Os propulsores elétricos atuais podem alcançar até 100 quilowatts. Se você tentar usá-los em nossa espaçonave, precisará de tantos que não seria prático. Não é um problema trivial como 'bem, basta obter mil propulsores de 100 quilowatts e pronto'", disse Gosse. "Por isso estamos olhando para os propulsores magnetoplasmadinâmicos (MPD), que têm uma densidade de energia muito maior e foram demonstrados funcionar até um megawatt."
O segundo problema é o resfriamento. O NTR não tem problemas de calor residual porque o hidrogênio funciona como refrigerante para o reator e depois é expelido da nave. No modo de propulsão nuclear elétrica (NEP), o refrigerante circula em um circuito fechado, o que significa que o calor se acumula na espaçonave. É por isso que todos os projetos NEP têm grandes radiadores. Na arquitetura de referência química-NEP da NASA, o radiador sozinho precisava ter mais de 2.000 metros quadrados. A nave de rotor de ondas bimodal de Gosse precisaria de um radiador cinco vezes maior.
No entanto, seria muito rápida. "Uma espaçonave de referência NTP deveria chegar a Marte em 297 dias e pesar mais de 600 toneladas. O design químico/NEP precisaria de 382 dias pesando 418 toneladas", disse Gosse. Seu conceito de rotor de ondas bimodal é rápido o suficiente para ser lançado quando Marte e a Terra estiverem mais próximos um do outro e chegar a Marte em apenas 45 dias com uma massa de 530 toneladas. "Voando um pouco mais devagar, fazendo uma viagem de 65 dias, podemos chegar a uma massa de apenas 273 toneladas", disse Gosse.
Passos de Bebê
Mas essa ideia não será testada no DRACO. "A estratégia de rastejar-andar-correr é realmente o que queremos implementar aqui", disse Calomino. "O principal é colocar o motor NTP em funcionamento, ganhar confiança, entender o reator, obter alguma resiliência neste reator, então vamos focar nisso. Vamos fazer isso."
Uma vez que soubermos que funciona, haverá tempo para avaliar se faz sentido adicionar a complexidade dos propulsores MPD. Quando você utiliza tanto a propulsão nuclear elétrica quanto térmica, você tem dois sistemas com requisitos diferentes, mesmo que se alimentem do mesmo reator. Então você precisa adicionar a massa de ambos e comparar com o uso de apenas um sistema e mais combustível. A adição de complexidade também adiciona risco.
Para alguns dentro do DOD, muito está em jogo em uma demonstração bem-sucedida do sistema simples. "Pense na Marinha. A melhor maneira de se movimentar com carga pesada pelos oceanos é usando grandes navios de guerra com motores potentes. A propulsão nuclear sendo a melhor opção. O mesmo é verdadeiro para o espaço. Atualmente, o Departamento de Defesa não possui essas capacidades", disse Dodson. "Mas uma vez que as tenhamos, nossas naves poderiam se mover pelo espaço como fazem pelos oceanos."
Deixando de lado os problemas com essa afirmação (a Marinha nunca teve navios de guerra nucleares, e se mover pelo espaço é muito diferente de se mover pelos oceanos), a questão é se realmente precisamos de navios de guerra nucleares espaciais em primeiro lugar.
A principal razão pela qual não voamos com NTRs hoje é que eles nunca foram uma tecnologia habilitadora para qualquer coisa que tentamos fazer. Cada vez que seus apoiadores diziam que algo não poderia ser feito sem foguetes nucleares, eles foram provados errados. Cabeças nucleares? Feitas com foguetes químicos. Pouso na Lua? Feito com foguetes químicos. Caça de satélites de agarramento chinês? Em 2021, a Rússia destruiu um satélite usando um míssil movido a combustível químico lançado do solo.
Grandes rebocadores espaciais cruzando entre a Terra, a Lua e Marte? Nossa necessidade deles ainda é uma questão em aberto. A questão de se um dia precisaremos de navios de guerra nucleares espaciais para mantê-los seguros é ainda mais remota. Mas algumas das pessoas envolvidas estão definitivamente pensando a longo prazo.
"O DRACO realmente tem um grande potencial para o futuro, para o mundo. Isso realmente poderia abrir algo. Estamos traçando um caminho que talvez seus netos terminem. Esperamos fazer um pouco de história", disse Shireman.
* Jacek Krywko é um escritor freelance de ciência e tecnologia que cobre exploração espacial, pesquisa em inteligência artificial, ciência da computação e toda sorte de engenharia.
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