Com missões recentes a Marte, como o Perseverance da NASA, o Hope dos Emirados Árabes Unidos e o Tianwen-1 da China sendo todos sucessos estrondosos, você pode ser perdoado por pensar que chegar a Marte é fácil. Mas há uma grande diferença entre enviar um rover ou orbitador para o planeta vermelho e enviar o tipo de infraestrutura e tecnologia de que precisaremos para estabelecer uma presença humana lá.
Conteúdo
- Velho confiável: os sistemas de propulsão química que usamos agora
- Melhorando os sistemas de propulsão química
- Por que a propulsão química não vai a lugar nenhum
- Uma opção mais eficiente: propulsão elétrica
- O elefante na sala: propulsão nuclear
- Não é um ou outro; é tudo acima
- Estamos prontos para Marte?
A propulsão química pode ter nos levado para o sistema solar, mas para a próxima fase da humanidade exploração do espaço, precisaremos de novas tecnologias de propulsão para complementar aquelas que usamos para o últimos 50 anos. Para obter os detalhes de como seria uma propulsão para uma expedição tripulada a Marte, conversamos com Kareem Ahmed, professor associado da Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da University of Central Florida e especialista em propulsão de foguetes de ponta sistemas.
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Este artigo faz parte Vida em Marte, uma série de 10 partes que explora a ciência e a tecnologia de ponta que permitirão aos humanos ocupar Marte
Velho confiável: os sistemas de propulsão química que usamos agora
Para enviar um foguete voando pela atmosfera da Terra e para o espaço além, você precisa de muito impulso. Você precisa neutralizar não apenas o atrito da atmosfera da Terra, mas também a significativa força da gravidade, que puxa os objetos de volta ao solo.
Desde a década de 1950, usamos o mesmo princípio básico para alimentar foguetes, chamado de propulsão química. Essencialmente, você acende um propulsor (uma mistura de combustível e um oxidante), que gera calor. Esse calor faz com que o material dentro do foguete se expanda, que é empurrado para fora da parte de trás do foguete. Essa expulsão do propelente cria empuxo, que empurra o foguete para cima com uma força tremenda, e esta força lhe permite superar os efeitos da gravidade e escapar para o espaço além do nosso planeta.
“A propulsão baseada em produtos químicos está apenas adicionando calor aos propulsores em taxas realmente rápidas. Esse propelente, uma vez que você o coloca em um calor muito alto, ele se expande a uma velocidade muito alta”, explicou Ahmed. “Essa velocidade é uma função de quanto calor você está colocando. Então pense nisso como quando você tem uma explosão, você tem uma enorme quantidade de gás que está se movendo rapidamente. E essa é a velocidade.”
Esta é a grande vantagem que a propulsão química tem sobre outros tipos de propulsão considerados: Velocidade. A propulsão química ajuda os foguetes a irem muito, muito rápido. Mas nem sempre é a opção mais eficiente.
“Pense nisso como um Prius versus um Corvette”, disse Ahmed. “Se você quer ir do ponto A ao ponto B muito rápido, é difícil vencer a propulsão química.” Quando você deseja ser mais eficiente, no entanto, outros sistemas de propulsão podem se destacar. “Se você está tentando ir do ponto A ao ponto B a uma velocidade razoável, mas com alta eficiência, a propulsão química pode não ser a ferramenta certa.”
Melhorando os sistemas de propulsão química
O princípio da propulsão química pode ter permanecido o mesmo nas últimas décadas, mas isso não significa que não haja melhorias sendo feitas na tecnologia - como pesquisas em diferentes tipos de combustível.
A eficiência dos tipos de combustível é uma questão de densidade de energia – quanta energia pode ser armazenada por uma certa quantidade de combustível. Por isso é difícil usar algo como o hidrogênio como combustível, mesmo que ele libere muito calor nas reações químicas, por ser muito leve e ter baixa densidade. É difícil armazenar muito hidrogênio em um espaço pequeno, por isso não é um combustível muito eficiente.
Os foguetes atuais geralmente usam combustíveis à base de querosene - basicamente a mesma coisa que o combustível para aviação - mas a grande área de interesse agora é olhar para os combustíveis à base de metano ou gás natural. Esse combustível não seria necessariamente mais eficaz como propulsor, mas seria consideravelmente mais barato porque o gás natural é abundante e já temos tecnologia para coletá-lo.
“Se a SpaceX pudesse usar gás natural para pilotar seu Falcon 9, eles economizariam muito e, portanto, acelerariam a exploração espacial”, disse Ahmed como exemplo. “Se pudéssemos reduzir o custo de sair para a órbita externa, isso tornaria o espaço mais acessível para nós.”
Outra área de pesquisa é melhorar os próprios motores. A equipe de Ahmed é um dos vários grupos que trabalham em um sistema chamado motor de foguete de detonação rotativa, que pode gerar mais energia com menos combustível em comparação com os motores tradicionais.
Ao controlar cuidadosamente a quantidade de hidrogênio e oxigênio sendo alimentada em um motor, a pressão pode ser criada de forma mais eficaz. Isso pode reduzir o tamanho de um motor de foguete, eliminando a necessidade de um compressor muito potente, além de usar o combustível de forma mais eficiente. A tecnologia está a caminho de ser utilizável em breve: Ahmed diz que a Força Aérea dos EUA planeja testar esse motor até 2025.
Por que a propulsão química não vai a lugar nenhum
Para decolar da Terra, a propulsão química é essencial. “Do nível do solo, a propulsão baseada em produtos químicos torna-se crítica porque você precisa dessa quantidade de energia para impulsionar esse peso do solo até uma altitude mais alta. Para superar a força gravitacional”, explicou Ahmed.
Ele trouxe o exemplo da SpaceX. Quando a empresa lança um foguete, por que não usa um sistema elétrico como o da Tesla? As duas empresas pertencem à mesma pessoa, Elon Musk, então certamente poderiam compartilhar tecnologias. Mas um sistema de propulsão elétrica não pode gerar a quantidade de impulso necessária para fazer um foguete decolar – simplesmente não produz energia suficiente.
Portanto, precisaremos continuar a usar a propulsão química para lançar foguetes no futuro próximo. Mas isso muda quando o foguete está em órbita. Depois de superar a gravidade da Terra e estar no espaço, é como usar o controle de cruzeiro. Controlar uma espaçonave no espaço requer relativamente pouco empuxo, pois não há atrito do ar ou atração gravitacional para baixo para lidar. Você pode até usar forças gravitacionais de planetas e luas próximos.
Portanto, um sistema de propulsão diferente pode assumir o controle para operações mais eficientes.
Uma opção mais eficiente: propulsão elétrica
Uma vez que um foguete está em órbita, muitas vezes ele precisa fazer mudanças de trajetória – pequenos ajustes para ajustar sua velocidade e garantir que ele esteja indo na direção certa. Isso requer um sistema de impulso. “Você precisa de milhares de newtons apenas para pilotar um veículo, para sair do estado de velocidade zero e para levantá-lo e superar a força gravitacional do peso que você está carregando. É por isso que você precisa de um grande, grande sistema de foguetes. Mas na órbita externa, você não tem mais forças gravitacionais influenciando você, você apenas tem sua velocidade terminal que está tentando superar”, explicou Ahmed.
E há muitas maneiras de gerar a força necessária para ajustar o curso de uma espaçonave. “Empurrão é impulso”, disse ele. “Você está injetando massa. Você está jogando massa fora, então ela te move na direção oposta. É a quantidade de massa e a rapidez com que você está esgotando essa massa.”
Uma tecnologia frequentemente usada em pequenos satélites, ou smallsats, é a propulsão elétrica. Eles usam energia elétrica (geralmente coletada por meio de painéis solares) para ionizar um gás propulsor. Esse gás ionizado é então forçado a sair da parte de trás do satélite usando um campo eletrônico ou magnético, criando o impulso que move a espaçonave.
Este é um sistema extremamente eficiente que pode usar até 90% menos combustível do que a propulsão química.
“Para a propulsão elétrica, sua massa é muito pequena e você realmente não precisa de muita velocidade para obter o impulso”, disse Ahmed. E os sistemas de propulsão eletrônica podem ionizar praticamente qualquer material, para que possam funcionar com o que estiver disponível.
O elefante na sala: propulsão nuclear
As pessoas geralmente se sentem desconfortáveis com a ideia de energia nuclear no espaço. E certamente há preocupações de segurança que devem ser consideradas ao usar a energia nuclear, especialmente para missões tripuladas. Mas a propulsão nuclear pode ser apenas o ás que nos permite visitar planetas distantes.
“Na verdade, o nuclear é altamente eficiente”, explicou Ahmed. Um sistema de propulsão nuclear funciona através de um reator que gera calor, que é então usado para aquecer um propelente que é expelido para criar impulso. Ele usa esse propulsor com muito mais eficiência do que a propulsão química.
O objetivo da NASA é minimizar o tempo que a tripulação viaja entre a Terra e Marte para o mais próximo possível de dois anos.
E é sustentável, que é seu grande benefício. “Um sistema baseado em produtos químicos, você está queimando propelente e esgotando-o, e não o tem mais”, disse Ahmed. “Você liberou essa energia e a perdeu. Em comparação com um sistema nuclear, o urânio ou plutônio que você vai usar está lá e não vai desaparecer. É sustentável enquanto você mantém seu reator central.”
Embora essa reação seja sustentável, o calor gerado ainda precisa ser canalizado para uma massa. Você não gostaria de esgotar o urânio ou o plutônio usados na reação. O útil é que o material que está sendo aquecido pode ser praticamente qualquer gás ou sólido, embora o gás seja preferível, pois responde melhor ao calor.
No espaço, não há gases para usar, então você ainda precisa trazer alguns com você. Mas em um planeta com uma atmosfera, como Marte, você poderia teoricamente usar gases prontamente disponíveis como o dióxido de carbono como propulsor.
A NASA está atualmente procurando sistemas de propulsão nuclear para missões a Marte especificamente. “O objetivo da NASA é minimizar o tempo que a tripulação viaja entre a Terra e Marte para o mais próximo possível de dois anos. Os sistemas de propulsão nuclear espacial podem permitir tempos de missão totais mais curtos e fornecer maior flexibilidade e eficiência para os projetistas de missões”, disse a agência. escreveu sobre sistemas nucleares. Mas ainda não houve nenhuma decisão firme tomada. “É muito cedo para dizer qual sistema de propulsão levará os primeiros astronautas a Marte, pois ainda há um desenvolvimento significativo necessário para cada abordagem.”
Não é um ou outro; é tudo acima
Ainda estamos nos estágios iniciais de planejamento de uma missão tripulada a Marte. Precisamos considerar requisitos práticos, bem como fatores como custo, quando se trata de planejar nossos próximos passos.
Ahmed não acha que um sistema de propulsão se mostrará extremamente superior aos outros. Em vez disso, ele prevê uma combinação de diferentes sistemas usados de acordo com as necessidades específicas da missão.
“Eu diria que todos os três sistemas serão necessários”, explicou ele. “Você não tem um sistema de propulsão perfeito que se encaixe em todas as suas missões.” Embora seja possível usar propulsão química para qualquer missão, é nem sempre apropriado - ele comparou isso a chegar a um prédio ao lado usando uma Ferrari e desperdiçar um monte de combustível quando você poderia simplesmente andar.
Para missões tripuladas a Marte, “você vai ter que usar nuclear, vai ter que usar eletricidade, e a base química você não pode fugir sem”, disse ele. Por exemplo, você pode usar um sistema de propulsão elétrica para entregar carga como habitats, usar propulsão nuclear para configurar um sistema de retransmissão confiável entre a Terra e Marte e, em seguida, enviar seus astronautas usando uma propulsão química sistema. Isso porque os humanos são, essencialmente, peças pesadas de hardware. “Nossa massa não é leve!” ele disse. “Somos uma quantidade significativa de massa, mesmo para apenas alguns funcionários. Portanto, você precisa dessa propulsão baseada em produtos químicos.”
Estamos prontos para Marte?
Existem muitas complexidades em organizar uma missão tripulada a Marte. Mas quando se trata de sistemas de propulsão, temos a tecnologia para enviar uma missão para lá amanhã.
“Os motores de foguete tradicionais baseados nos anos 50 levarão você até lá”, disse Ahmed. O fator limitante acaba sendo algo mais prosaico. “A questão é quanto isso vai custar para você.”
Enviar foguetes para Marte usando sistemas de propulsão baseados em produtos químicos é simplesmente muito, muito caro. E embora haja um apetite público e acadêmico por mais exploração de Marte, a quantidade de dinheiro disponível para tal missão não é infinita. Portanto, precisaremos desenvolver e explorar tecnologias como sistemas de propulsão elétrica ou nuclear para tornar a exploração mais acessível.
Mesmo no campo da propulsão química, desenvolvimentos na tecnologia, como motores de detonação rotativa ou novos combustíveis, podem ajudar a reduzir custos, o que promoverá mais exploração. “O desafio é desenvolver sistemas de engenharia que sejam mais econômicos do que os atuais sistemas de foguetes”, disse ele. “A tecnologia dos anos 50 levará você a Marte sem problemas. É super, super caro. E ninguém vai querer pagar por isso. Mas a tecnologia está aí.”
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