Em 2025, de acordo com o plano estabelecido, a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço dos Estados Unidos (NASA) pretende realizar o lançamento do primeiro veículo espacial propulsado por meio da tecnologia de fissão nuclear.
O referido veículo, denominado Foguete de Demonstração para Operações Cislunares Ágeis (DRACO), não está programado para atingir distâncias significativas no espaço. Sua trajetória se limitará a uma órbita terrestre próxima, correspondente à altitude habitualmente ocupada pela maioria dos satélites artificiais.
No entanto, em caso de sucesso do projeto DRACO, suas versões subsequentes poderão ser destinadas a missões com destinos como Marte ou o espaço sideral mais distante. A aplicação da fissão nuclear como fonte de propulsão oferece a perspectiva de alcançar Marte ou destinos no sistema solar externo de maneira substancialmente mais rápida e eficiente do que as tecnologias de foguetes atualmente em uso.
De fato, a tecnologia de fissão nuclear pode se apresentar como a única alternativa viável para possibilitar a exploração humana do Planeta Vermelho.
“O objetivo final é chegar a Marte”, disse Fatima Ebrahimi, física do Laboratório de Física de Plasma de Princeton, à Inverse. “Você realmente precisa de energia nuclear para isso”.
"O renascimento de um sonho
A maior parte dos foguetes atualmente empregados consiste em dispositivos movidos por tecnologia de foguetes químicos, os quais convertem energia por meio de reações químicas. Aqueles que já tiveram a oportunidade de presenciar o lançamento de um foguete de propulsão química estão cientes do espetáculo visual e sensorial que tal evento pode proporcionar.
“Os foguetes químicos têm a vantagem de produzir um grande empuxo – são muito potentes”, diz Ebrahimi. “Mas eles não podem ir muito longe.”
A fim de realizar uma viagem interplanetária com as atuais tecnologias de foguetes químicos, torna-se necessário aproveitar as oportunidades de alinhamento orbital entre a Terra e Marte, que ocorrem em intervalos de tempo aproximados de 26 meses.
Para estender a exploração ao sistema solar exterior utilizando esses mesmos veículos, a complexidade das trajetórias aumenta substancialmente. Isso implica em uma aproximação mais íntima com o Sol e a utilização das forças gravitacionais de planetas como Vênus para adquirir a velocidade necessária.
Além disso, tais missões demandam um considerável período de tempo para sua realização. Como exemplo, para planejar uma chegada a Júpiter no início da década de 2030, seria necessário iniciar o lançamento no presente.
É nesse contexto que a tecnologia de propulsão nuclear emerge como uma solução viável.
Se a terminologia “foguetes nucleares” evoca uma conotação de obsolescência, essa percepção não é infundada. Os foguetes nucleares representam uma inovação do século XX e não do século XXI. No entanto, ao abraçar a perspectiva de um futuro alimentado por tecnologia nuclear, o programa espacial dos Estados Unidos está ressuscitando um sonho que remonta a mais de meio século atrás.
Engenheiros têm se dedicado ao desenvolvimento de foguetes nucleares desde os primórdios da Era Espacial. Na década de 1950, quando a energia nuclear despertava grande entusiasmo como uma tecnologia emergente, a Força Aérea dos Estados Unidos e a Comissão de Energia Atômica se uniram em um esforço conjunto denominado Projeto Rover, que tinha como objetivo criar um protótipo de motor nuclear capaz de propulsar um míssil.
Posteriormente, a NASA assumiu a responsabilidade pelo programa, descontinuando o enfoque em mísseis e redirecionando-o para um programa voltado a transportar um motor nuclear ao espaço, conhecido como “Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application” (NERVA). Nas extensas instalações de testes localizadas nas regiões desérticas de Nevada, o NERVA conduziu uma série de testes com sucesso, nos quais diversos motores foram submetidos a avaliações rigorosas, pelo menos no que concerne à sua operação em solo terrestre.
Os Estados Unidos não foram os únicos atores a explorar a viabilidade de foguetes nucleares como meio de propulsão. A União Soviética, em 1965, iniciou seu próprio empreendimento voltado para a concepção de protótipos de foguetes nucleares e continuou suas pesquisas nesse domínio por várias décadas.
Durante a década de 1980, engenheiros soviéticos conduziram testes em escala real de um motor denominado RD-0410 nas instalações de testes nucleares localizadas em Semipalatinsk, no nordeste do Cazaquistão. Entretanto, é digno de nota que o RD-0410 nunca alcançou a fase de implementação em voo.
No contexto da NASA, uma organização paralela que também almejava a implementação bem-sucedida da tecnologia de foguetes nucleares, houve uma forte determinação em evitar que o destino do programa NERVA seguisse o mesmo caminho.
Documentos datados do auge do programa NERVA, durante meados da década de 1960, caracterizam os foguetes nucleares como uma componente crucial para o futuro da NASA. Nessa época, os planejadores já haviam delineado propostas de missões impulsionadas por motores NERVA que prometiam avanços de magnitude considerável, fazendo com que os notáveis feitos do Projeto Apollo parecessem modestos em comparação.
Alguns desses projetos ambiciosos incluíam conceitos como o transporte de cargas por naves nucleares para bases lunares durante a década de 1970, bem como a perspectiva de voos regulares de ida e volta a Marte durante a década de 1980.
No entanto, como é amplamente conhecido, tais projetos de grande envergadura nunca foram realizados. Após a bem-sucedida missão da Apollo 11, fatores como as pressões políticas da administração Nixon e restrições orçamentárias direcionaram a NASA para empreendimentos de exploração espacial de natureza mais próxima à Terra, como o Skylab e o ônibus espacial.
Apesar do Projeto NERVA ter desfrutado de apoio político e ter recebido investimentos substanciais que ultrapassaram a marca de US$ 1 bilhão, tornou-se evidente que o programa não estava alinhado com a nova direção adotada pela NASA naquela época, levando à sua desativação em 1973, antes mesmo de sua implementação no ambiente espacial.
No entanto, mesmo com as medidas de austeridade financeira que resultaram na supressão do Projeto NERVA e com a crescente preocupação pública em relação à tecnologia nuclear, devido a eventos adversos como o acidente em Three Mile Island e o desastre de Chernobyl, além do surgimento simultâneo de movimentos antinucleares, a ideia de utilizar foguetes nucleares manteve-se persistentemente presente.
O retorno do foguete nuclear
Para aqueles com inclinação para os aspectos técnicos e científicos, a expressão “foguete nuclear” pode evocar imagens associadas ao Projeto Orion, que concebia uma nave impulsionada por meio de detonações nucleares que ocorreriam no espaço posterior à embarcação.
Na realidade, o conceito de propulsão nuclear é consideravelmente mais pragmático e, sobretudo, mais conciliável com as proibições internacionais que regem explosões nucleares no espaço extraterrestre.
Os foguetes nucleares, conforme propostos por engenheiros, especificamente sob a designação de foguetes térmicos nucleares (NTR), efetuam a substituição das reações químicas típicas por um reator de fissão nuclear.
Os diversos projetos de NTR podem variar em detalhes, porém, em sua essência, compreendem dois componentes primordiais: o reator propriamente dito e um fluido, frequentemente hidrogênio líquido, que é submetido a superaquecimento.
Uma turbobomba encarrega-se de direcionar o fluxo do hidrogênio através do reator, onde este é aquecido a altas temperaturas, transformando-se em estado gasoso com elevada energia térmica. O gás resultante é então liberado através de um bocal associado ao sistema, gerando propulsão.
A capacidade de elevar a temperatura do combustível ao nível máximo possível desempenha um papel fundamental na determinação da magnitude do impulso gerado pelo foguete.
Aos observadores não familiarizados com os detalhes técnicos, um motor de propulsão nuclear térmica (NTR) pode não apresentar diferenças notáveis em relação a um foguete de propulsão química.
Mesmo para os especialistas em engenharia de foguetes, muitos dos componentes empregados em um motor NTR, tais como válvulas, bocais e a manipulação de hidrogênio em condições criogênicas, compartilham similaridades com os sistemas utilizados em foguetes de propulsão química.
Contudo, a distinção dos foguetes nucleares reside primordialmente em sua eficiência, um parâmetro frequentemente referido pelos cientistas de foguetes como “impulso específico”. Em termos simples, o impulso específico mensura a capacidade de um motor propulsor em deslocar uma espaçonave utilizando uma determinada quantidade de combustível.
Os motores NTR exibem valores de impulso específico que são de duas a três vezes superiores quando comparados aos motores químicos equivalentes. Uma vez que uma espaçonave equipada com um sistema de propulsão nuclear se encontre além da influência gravitacional da Terra, ela pode alcançar velocidades significativamente maiores em comparação com aquelas equipadas com motores de propulsão química.
Deste modo, é possível notar que, no cenário atual, a utilização dos mais avançados foguetes de propulsão química disponíveis representaria um desafio substancial para uma missão tripulada a Marte, dadas as restritas oportunidades de lançamento que ocorrem a cada intervalo de 26 meses.
Por outro lado, os motores NTR prometem uma redução drástica desses prazos de espera. Além disso, devido à sua capacidade de acelerar espaçonaves a velocidades superiores, tais sistemas de propulsão abrem perspectivas significativamente ampliadas para viagens interplanetárias que não requerem manobras gravitacionais complexas.
“Isso me dá a capacidade de abortar minha missão e voltar para casa – não o tempo todo, mas por uma parte muito mais longa da minha missão”, disse Kurt Polzin, engenheiro-chefe de propulsão nuclear espacial do Marshall Space Flight Center da NASA, ao portal Inverse.
Os proponentes da tecnologia de propulsão nuclear térmica (NTR), como Polzin, sustentam a perspectiva de que a segurança não se limita unicamente à questão da duração da missão, mas abrange um espectro mais amplo de benefícios quando se compara uma missão propulsionada por energia nuclear com aquelas empregando foguetes convencionais.
Uma das premissas centrais é que uma missão mais breve, facilitada pela alta eficiência proporcionada pelos motores NTR, implica em necessidades reduzidas de suprimentos para os astronautas, minimizando, assim, as exigências logísticas e o peso da carga transportada. Adicionalmente, uma missão de menor duração resulta em uma exposição reduzida dos astronautas à radiação ionizante durante o percurso, contribuindo para a segurança dos membros da tripulação.
“Se conseguirmos melhorar a segurança da tripulação, acho que consideraremos que o que fizemos foi muito bem-sucedido”, diz Polzin.
Sair da órbita da Terra e chegar a Lua
Nas décadas de 1980 e 1990, a pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de foguetes nucleares experimentaram um declínio notável, com grande parte da comunidade científica optando por direcionar seus esforços em outras áreas de estudo.
Os projetos relacionados a foguetes nucleares passaram a ser predominantemente associados a iniciativas militares de caráter sigiloso, notadamente exemplificado pelo Projeto Timber Wind, uma componente da Iniciativa de Defesa Estratégica dos Estados Unidos, também conhecida como “Guerra nas Estrelas”.
Este projeto buscava, em essência, a reinserção da tecnologia nuclear em contextos militares com ênfase na capacidade de mísseis de natureza destrutiva.
No entanto, a partir da década de 2010, um novo contingente de pesquisadores emergiu, e as prioridades da NASA começaram a se deslocar novamente para além da órbita terrestre. Neste contexto, engenheiros da NASA ousaram retomar a exploração de conceitos de missões a Marte impulsionadas por tecnologia nuclear.
Simultaneamente, ficou evidente que o Programa Artemis, uma iniciativa ambiciosa da NASA destinada a estabelecer uma presença permanente na Lua com a finalidade de servir como um ponto de partida para futuras missões tripuladas a Marte, estava efetivamente se tornando realidade, com a alocação de recursos financeiros correspondentes. No ano de 2019, o Congresso dos Estados Unidos destinou mais de US$ 100 milhões para a pesquisa relacionada à tecnologia de motores de propulsão nuclear.
Dale Thomas, engenheiro especializado em propulsão afiliado à Universidade do Alabama em Huntsville, cujas pesquisas estão centralizadas na área de motores de propulsão nuclear, identifica um fator preponderante relacionado às dinâmicas terrestres que contribuiu para o súbito ressurgimento do interesse em tecnologia de propulsão nuclear.
“A mudança climática fez com que as pessoas repensassem sua posição sobre a energia nuclear em geral como uma tecnologia que não emite gases de efeito estufa”, disse Thomas ao portal Inverse.
Ele menciona que as transformações de postura, manifestadas na implementação de novas instalações nucleares e na extensão dos cronogramas de desativação das antigas, refletem-se igualmente no âmbito das viagens espaciais.
Por sua vez, Thomas antecipa que a pesquisa voltada para o aprimoramento da tecnologia de motores NTR, incluindo a construção de reatores capazes de resistir às elevadas pressões e temperaturas associadas a tais dispositivos, possa resultar em avanços que tenham aplicabilidade também na construção de reatores terrestres aprimorados.
O maior desafio, diz Thomas, é “convencer os planejadores de missão da NASA de que podem contar com a propulsão térmica nuclear em seus projetos de missão”.
Este é um dos objetivos da missão DRACO, a qual tem a finalidade de lançar o primeiro foguete propulsado por energia nuclear, retomando o ponto em que o projeto NERVA foi interrompido há cinquenta anos atrás.
O lançamento da DRACO será realizado através de um foguete de propulsão química convencional, em parte devido à maior capacidade de impulso dos foguetes químicos atualmente disponíveis e, também, com a finalidade de minimizar o risco associado a um eventual acidente nuclear.
Este foguete de propulsão química transportará a DRACO até uma órbita relativamente elevada em torno da Terra, situando-se em altitudes compreendidas entre 435 e 1.240 milhas (700 e 2.000 quilômetros). Nesse ambiente espacial, os engenheiros realizarão os testes preliminares relacionados ao sistema de propulsão nuclear da DRACO.
A missão DRACO herda o legado e as descobertas decorrentes da pesquisa realizada no âmbito do Projeto NERVA, no entanto, são discerníveis algumas distinções entre essas duas iniciativas.
Uma dessas divergências reside no fato de que, enquanto o Projeto NERVA empregava urânio altamente enriquecido para aplicações militares, contendo mais de 90% de urânio-235, a missão DRACO faz uso de uma substância denominada HALEU (uranium de baixo enriquecimento e alto teor), que compreende aproximadamente de 10% a 20% de urânio-235.
Esse componente aproximado ao urânio empregado na geração de energia nuclear civil. Embora o HALEU produza uma quantidade menor de energia em comparação com o urânio altamente enriquecido, a obtenção de uma licença para sua utilização nos Estados Unidos é substancialmente mais acessível e econômica do que a permissão para manusear materiais de grau superior.
Adicionalmente, um dos motivos pelos quais os engenheiros envolvidos na construção da DRACO estão ansiosos para realizar testes em ambiente espacial é o fato de que as instalações originais do Projeto NERVA, há muito tempo abandonadas, já não se encontram em condições de uso. Sob esse aspecto, a missão DRACO está avançando em direção à sua execução de forma consideravelmente mais célere do que o Projeto NERVA jamais poderia ter alcançado.
“Só espero que a missão seja bem-sucedida, conforme planejado”, diz Thomas. “Ou seja, uma demonstração de voo bem-sucedida de uma espaçonave movida a propulsão térmica nuclear.”
A DRACO representa um protótipo em desenvolvimento. Uma parcela significativa da relevância dos testes associados a esta missão reside na oportunidade proporcionada aos engenheiros da NASA para adquirirem conhecimento empírico.
Isso implica, em primeiro lugar, a aquisição de competências relativas à efetiva inserção da DRACO no espaço, seguido pela compreensão das particularidades inerentes ao funcionamento de um motor NTR em condições operacionais.
Além disso, esses testes servem como base para a elaboração de listas de verificação de voo que abrangem um tipo de motor que, até o momento, não foi objeto de pilotagem nem experiência prática por parte da equipe de engenheiros da agência espacial.
“Nunca fizemos isso antes”, diz Polzin. “Vamos aprender como fazer isso… vamos levar isso para o próximo sistema.”
Ainda existe um considerável volume de trabalho a ser realizado no campo da propulsão espacial. Por exemplo, Polzin ressalta a necessidade de elevar as temperaturas dos motores de propulsão nuclear térmica (NTR) a níveis ainda mais elevados do que os atingidos pela DRACO. Contudo, ele mantém a convicção de que o “próximo sistema” – ou sistemas subsequentes – representarão o ponto de viragem que finalmente viabilizará as missões tripuladas a Marte.
Vale destacar que a tecnologia NTR pode ser apenas o ponto de partida para uma categoria em expansão denominada por alguns cientistas e engenheiros como “propulsão avançada”, a qual prescinde das reações químicas convencionais.
Para missões dirigidas a destinos próximos à Terra, a propulsão de íons elétricos é frequentemente empregada, na qual uma corrente elétrica é utilizada para acelerar íons de xenônio ou criptônio a partir de um propulsor, impulsionando a espaçonave.
Em perspectiva, futuras naves espaciais podem gerar tal corrente elétrica mediante processos de fissão nuclear. Adicionalmente, conceitos mais hipotéticos envolvem a utilização de velas solares, que seriam capazes de captar a luz solar de forma análoga às velas de um navio oceânico que aproveitam os ventos.
Paralelamente, alguns cientistas, incluindo Ebrahimi, da Universidade de Princeton, estão investigando motores de propulsão que operam com base na fusão nuclear, uma forma distinta de física nuclear.
Não há razão para limitar as espaçonaves a um único tipo de motor. O futuro das viagens espaciais pode envolver a integração de várias opções de propulsão, cada uma especializada para atender a finalidades específicas e complementar as capacidades necessárias em diferentes contextos de missão.
