Novas tecnologias poderão levar exploração espacial a outras estrelas em duas décadas
A exploração espacial de longa distância requer sistemas de propulsão avançados que possam acelerar uma sonda a velocidades extremas. Enquanto soluções como dobra espacial, warp drive, FTL ou viagens por buracos de minhoca são apenas sonhos da ficção científica, cientistas estão desenvolvendo tecnologias com potencial para levar naves humanas a outras estrelas nas próximas duas ou três décadas.
Hoje em dia, foguetes químicos e sondas movidas a energia solar são muito lentos em escalas interestelares. Mas o cientista Artur Davoyan tem uma ideia completamente diferente de como impulsionar uma sonda a altas velocidades: propulsão por feixe de pellets.
Aqui está um resumo de como funcionaria: primeiro, são necessárias duas sondas. Uma delas parte em uma viagem sem volta para o espaço profundo, enquanto a outra permanece em órbita da Terra. A sonda estacionária dispara milhares de leves e pequenos pellets — bolinhas de metal aglomerado ou outro material que sirva para essa finalidade — em direção à sua parceira. Com pouquíssima massa, eles podem ser disparados em altíssima velocidade.
A sonda em órbita então dispara um laser de 10 megawatts na direção exata da sonda que se afasta; ou apenas desvia na direção dela um laser disparado a partir do solo. O laser atinge os pellets e aquece-os fazendo com que parte de seu material se derreta e se torne plasma. Assim, uma nuvem quente de partículas ionizadas segue em alta velocidade empurrando mais restos dos pellets, e esse feixe fornece empuxo à sonda.
Davoyan propõe que seria possível dotar a sonda de um dispositivo gerador de campo magnético, uma espécie de escudo defletor a bordo, para desviar o plasma de pellets. Mesmo sendo desviados — para não danificar a nave — os pellets em forma de feixe de alta energia continuariam empurrando a sonda cada vez mais rápido.
Segundo seus cálculos esse sistema poderia impulsionar uma sonda de 1 tonelada a velocidades de até 480 mil quilômetros por hora. Isso é lento comparado à velocidade da luz, mas mais de 10 vezes mais rápido do que os sistemas de propulsão convencionais usados atualmente.
É um conceito teórico, mas realista o suficiente para que o programa Innovative Advanced Concepts, da NASA, tenha dado ao grupo de Davoyan um crédito de US$ 175 mil para mostrar que a tecnologia é viável. “Há uma física rica ali”, diz Davoyan, engenheiro mecânico e aeroespacial da UCLA. Para criar propulsão, ele continua, “você ou joga o combustível para fora do foguete ou joga o combustível no foguete”.
Do ponto de vista físico, eles funcionam da mesma forma: ambos conferem momento a um objeto em movimento. O projeto de sua equipe poderia transformar a exploração espacial de longa distância, expandindo drasticamente o “bairro astronômico” acessível a nós. Afinal, só enviamos alguns visitantes robóticos para observar Urano, Netuno, Plutão e suas luas.
Sabemos ainda menos sobre os objetos que se escondem mais longe. Um punhado ainda menor de sondas da NASA a caminho do espaço interestelar inclui Pioneer 10 e 11, que decolaram no início dos anos 1970; Voyager 1 e 2, que foram lançados em 1977 e continuam sua missão até hoje; um dos mais recentes, a New Horizons, levou nove anos para passar por Plutão em 2015, vislumbrando a agora famosa planície em forma de coração do (ex)planeta anão.
Velocidades ainda maiores na exploração espacial
Pensada para oferecer uma maneira viável de aumentar a velocidade de naves maiores no curto prazo, a propulsão por pellets é apenas uma variação da chamada propulsão a laser. E esse é um dos quatro tipos de propulsão de que vêm sendo desenvolvidos por diferentes institutos, empresas e agências no mundo para tentar levar a humanidade onde nenhum homem ou mulher jamais esteve.
Além dela, outros mecanismos cotados são a propulsão iônica, a propulsão solar e a propulsão nuclear, que estão em diferentes fases de estudos. Vamos ver como cada uma delas funciona e quais são suas vantagens e desafios:
– Propulsão iônica: consiste em acelerar íons (átomos com carga elétrica) por meio de um campo elétrico e expeli-los pela parte traseira da nave. Essa forma de propulsão produz uma força muito pequena, mas contínua, que permite à nave atingir altas velocidades ao longo do tempo. A propulsão iônica é muito eficiente em termos de consumo de combustível, mas requer uma fonte de energia elétrica, como painéis solares ou geradores nucleares.
A boa notícia é que esta modalidade já vem sendo usada na prática. Alguns exemplos de missões que usaram ou usam propulsão iônica são: Dawn, que explorou os asteroides Vesta e Ceres; Hayabusa e Hayabusa 2, que coletaram amostras de asteroides; e BepiColombo, que está a caminho de Mercúrio. A má notícia é que em seu estágio atual, a aceleração é pequena, ainda leva muito tempo para atingir altas velocidades e mesmo assim uma quantidade considerável de combustível é necessária.
– Propulsão solar: trata-se de usar a pressão da radiação solar para empurrar uma vela solar, que é uma estrutura fina e reflexiva que capta a luz do Sol. Essa forma de propulsão também produz uma força pequena, mas contínua, que pode aumentar a velocidade da nave ao longo do tempo. A propulsão solar não consome combustível, mas depende da distância do Sol e da orientação da vela e isso pode ser um obstáculo para distâncias muito longas.
Algumas missões experimentais também já a utilizaram, como a IKAROS, que foi a primeira nave a demonstrar a propulsão solar no espaço; LightSail 2, que é um projeto da Planetary Society para testar uma vela solar em órbita terrestre; e a Solar Cruiser, que deverá ser lançada pela NASA em 2025 para estudar o vento solar.
– Propulsão nuclear: essa modalidade aproveita uma reação nuclear para aquecer um fluido e expeli-lo pela parte traseira de uma nave. Essa forma de propulsão pode produzir uma força muito maior do que as anteriores, mas envolve riscos ambientais e políticos relacionados ao uso de material radioativo.
A propulsão nuclear pode ser dividida em dois tipos: térmica e elétrica. A propulsão nuclear térmica usa um reator nuclear para aquecer e acelerar um gás, como hidrogênio ou metano, expelido diretamente. Já a propulsão nuclear elétrica usa um reator nuclear para gerar eletricidade e alimentar um motor iônico ou elétrico. Também já temos pelo menos um exemplo de missão que usou propulsão nuclear, ainda que de forma incipiente: a sonda Cassini, que explorou Saturno e suas luas usando propulsão nuclear elétrica.
– Propulsão a laser: uma variação da propulsão por pellets, consiste em usar um feixe de laser emitido por uma estação terrestre ou orbital para aquecer um material na parte traseira da nave e gerar um jato de gás. Essa forma de propulsão pode produzir uma força maior do que as anteriores, mas requer uma alta potência e precisão do laser, além de um sistema de comunicação e rastreamento entre a nave e a estação.
Outra variação é uma espécie de hibrido entre a propulsão por laser e a vela solar. Neste caso, o feixe de laser empurraria uma sonda bem pequena e sem combustível, portanto muito leve, munida de uma espécie de vela. A luz não tem muita força, mas nessa condição a nave poderia ser acelerada durante muito tempo até atingir velocidades relativísticas, ou seja, uma fração considerável da velocidade da luz. Missões que devem testar alguma variação dessas tecnologias a laser são a DEEP-IN, um projeto da NASA para demonstrar a propulsão a laser em órbita terrestre, e a ELSA-d, que é um projeto da Agência Espacial Europeia para usar propulsão a laser para remover lixo espacial. Mas a mais empolgante, sem dúvida, é a Breakthrough Starshot, que pretende chegar a Alpha Centauri em menos de uma geração!
Motores nucleares para nos levar rapidamente a Marte
Se a propulsão nuclear pode ainda não ser suficiente para levar nossas sondas a outras estrelas, seu desenvolvimento vem sendo acelerado pela NASA com o objetivo de encurtar viagens interplanetárias no sistema solar. Em especial como um próximo passo para a humanidade depois do retorno à Lua, com a missão Artemis.
As pesquisas da agência espacial norte-americana com esse tipo de motor tiveram início na década de 1960. Entre 1959 e 1964, a NASA criou o NERVA, sigla em inglês para “Motor Nuclear para Aplicações de Veículos de Foguete”. Foi um esforço conjunto agência com a Comissão de Energia Atômica que visava desenvolver um foguete nuclear para missões de longo alcance a Marte e como um possível estágio superior para o Programa Apollo, com a blindagem adequada para proteger os astronautas.
O projeto chegou a desenvolver e testar com sucesso uma série de reatores Kiwi, construídos para testar princípios de foguetes nucleares em um motor nuclear não voador. A fase final do programa, chamada Teste-de-Reator-em-Voo, seria um teste real de lançamento. No entanto, o financiamento para NERVA diminuiu no final dos anos 1960 e o programa foi cancelado oficialmente em 1973, antes que qualquer teste de voo do motor.
Recentemente a NASA e a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) anunciaram uma colaboração para demonstrar um novo motor de foguete térmico nuclear no espaço, uma capacidade habilitadora para missões tripuladas da NASA para Marte. A NASA e a DARPA serão parceiras no programa Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO). O acordo não reembolsável projetado para beneficiar ambas as agências, descreve funções, responsabilidades e processos destinados a acelerar os esforços de desenvolvimento.
Chegando a outras estrelas com a Breakthrough Starshot
De todas as tecnologias em desenvolvimento, provavelmente a mais promissora para levar a humanidade às estrelas — ou ao menos um minúsculo observador robótico — é um projeto independente financiado pela Breakthrough Initiatives. A iniciativa foi fundada em 2015 pelos bilionários Yuri e Julia Milner para explorar o Universo e buscar evidências científicas de vida extraterrestre inteligente. O investidor de ciência e tecnologia Yuri Milner, que nasceu na Rússia mas naturalizou-se israelense (em 2022 ele renunciou à cidadania russa), fez um aporte de 100 milhões de dólares no projeto. No lançamento, a iniciativa foi apadrinhada pelo já falecido físico Stephen Hawking e conta com a colaboração do polêmico astrofísico de Harvard Avi Loeb.
Um dos braços da Breakthrough Initiatives é o projeto Breakthrough Starshot, que pretende enviar uma frota de sondas, com poucos instrumentos — incluindo uma câmera — para Alpha Centauri, o sistema estelar mais próximo do nosso, a cerca de 4,22 anos luz de distância. A tecnologia de propulsão a laser será utilizada em conjunto com uma vela leve em cada uma das “nanonaves”, as chamadas Starchips. Isso as impulsionaria a velocidades relativísticas, podendo chegar a até um quinto da velocidade da luz. A primeira fase do projeto já está em andamento e se concentra no desenvolvimento da tecnologia.
Em seu recente livro “Extraterrestre” (lançado em 2021), Avi Loeb contou que Milner o convidou, e a outros cientistas, com o desafio de projetar uma missão que conseguisse ir ao sistema vizinho e enviar dados de volta ainda durante seu tempo de vida. E assim nasceu o conceito que vem sendo utilizado para o Breakthrough Starshot.
A frota de Starchips terá cerca de 1000 naves espaciais. Cada uma pesará apenas algumas gramas. Elas seriam impulsionadas por uma matriz quadrada de lasers terrestres de 10 kW com uma saída combinada de até 100 GW. Um enxame de cerca de 1000 unidades compensaria as perdas causadas por colisões com poeira interestelar a caminho do alvo. Um estudo detalhado em 2016 descobriu que mitigar as colisões com poeira, hidrogênio e raios cósmicos galácticos pode não ser um problema de engenharia tão grave quanto se pensava inicialmente.
Uma missão de sobrevoo foi proposta para Proxima Centauri b, um exoplaneta do tamanho da Terra na zona habitável de sua estrela hospedeira, a homônima Proxima Centauri. A uma velocidade entre 15% e 20% da velocidade da luz, levaria entre 20 e 30 anos para completar a jornada e aproximadamente 4 anos para os dados retornarem à Terra.
