Traduzido por Julio Batista
Original de Matt Williams para o Universe Today
Hoje, várias agências espaciais estão investigando ideias de propulsão de ponta que permitirão trânsitos rápidos para outros corpos no Sistema Solar.
Isso inclui os conceitos de Propulsão Nuclear-Térmica ou Nuclear-Elétrica (NTP/NEP) da NASA que podem permitir tempos de trânsito para Marte em 100 dias (ou até 45 ) e uma espaçonave chinesa movida a energia nuclear que pode explorar Netuno e sua maior lua, Tritão.
Embora essas e outras ideias possam permitir a exploração interplanetária, ir além do Sistema Solar apresenta alguns grandes desafios.
Como exploramos em um artigo anterior, uma espaçonave usando propulsão convencional levaria de 19.000 a 81.000 anos para alcançar até mesmo a estrela mais próxima, Proxima Centauri (4,25 anos-luz da Terra). Para este fim, os engenheiros têm pesquisado propostas para espaçonaves não tripuladas que dependem de feixes de energia direcionada (lasers) para acelerar as velas de luz a uma fração da velocidade da luz.
Uma nova ideia proposta por pesquisadores da UCLA prevê um avanço inovador na ideia da vela de emissão: um conceito de emissão de pellets (pequenos cilindros) que poderia acelerar uma espaçonave de 1 tonelada até a borda do Sistema Solar em menos de 20 anos.
O conceito, intitulado “Pellet-Beam Propulsion for Breakthrough Space Exploration” (Propulsão por Feixe de Pellets para o Avanço na Exploração Espacial), foi proposto por Artur Davoyan, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA), EUA.
A proposta foi uma das quatorze propostas escolhidas pelo programa Conceitos Avançados Inovadores da NASA (NIAC, na sigla em inglês) como parte de suas seleções de 2023, que concedeu um total de US$ 175.000 em doações para desenvolver ainda mais as tecnologias. A proposta de Davoyan se baseia em trabalhos recentes com propulsão por energia direcionada (DEP, na sigla em inglês) e tecnologia de vela leve para criar uma lente solar gravitacional.
Como o Prof. Davoyan disse ao Universe Today por e-mail, o problema com as espaçonaves é que elas ainda estão em dívida com a Equação do Foguete:
“Todas as espaçonaves e foguetes atuais voam expandindo o combustível. Quanto mais rápido o combustível é descartado, mais eficiente é o foguete. No entanto, há uma quantidade limitada de combustível que podemos carregar a bordo. Como resultado, a velocidade de uma espaçonave pode ser acelerada é limitada. Este limite fundamental é ditado pela Equação do Foguete. As limitações da Equação do Foguete se traduzem em uma exploração espacial relativamente lenta e cara. Missões como a Lente Gravitacional Solar não são viáveis com as espaçonaves atuais.”
A Lente Gravitacional Solar (SGL) é uma proposta revolucionária que seria o telescópio mais poderoso já concebido. Os exemplos incluem a autodenominada Lente Gravitacional Solar, selecionada em 2020 para o desenvolvimento da Fase III do NIAC.
O conceito se baseia em um fenômeno previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein conhecido como Lente Gravitacional, onde objetos massivos alteram a curvatura do espaço-tempo, amplificando a luz dos objetos ao fundo. Essa técnica permite aos astrônomos estudar objetos distantes com maior resolução e precisão.
Ao posicionar uma espaçonave na heliopausa (~500 UA do Sol), os astrônomos puderam estudar exoplanetas e objetos distantes com a resolução de um espelho primário medindo cerca de 100 km de diâmetro. O desafio é desenvolver um sistema de propulsão que possa levar a espaçonave a essa distância em um período de tempo razoável.
Até o momento, as únicas espaçonaves a alcançar o espaço interestelar foram as sondas Voyager 1 e 2, lançadas em 1977 e atualmente a cerca de 159 e 132 UA do Sol (respectivamente).
Quando deixou o Sistema Solar, a sonda Voyager 1 viajava a uma velocidade recorde de cerca de 17 km/s, ou 3,6 UA por ano. No entanto, esta sonda ainda levou 35 anos para atingir a fronteira entre o vento solar do Sol e o meio interestelar (a heliopausa).
Em sua velocidade atual, a Voyager 1 levará mais de 40.000 anos para passar por outro sistema estelar – AC+79 3888, uma estrela obscura na constelação da Ursa Menor. Por esta razão, os cientistas estão investigando a propulsão de energia direcionada (DE, na sigla em inglês) para acelerar velas leves, que podem atingir outro sistema estelar em questão de décadas.
Como explicou o Prof. Davoyan, esse método oferece algumas vantagens distintas, mas também tem sua parcela de desvantagens:
“A navegação a laser, ao contrário de espaçonaves e foguetes convencionais, não requer combustível a bordo para acelerar. Aqui, a aceleração vem de um laser que empurra a espaçonave por pressão de radiação. Em princípio, velocidades próximas à velocidade da luz podem ser alcançadas com este método. No entanto, os feixes de laser divergem em longas distâncias, o que significa que há apenas uma faixa de distância limitada na qual uma espaçonave pode ser acelerada. Essa limitação da navegação a laser leva à necessidade de potências de laser exorbitantes, gigawatts e, em algumas propostas, terawatts, ou coloca uma restrição na massa da espaçonave.”
Exemplos do conceito de feixe de laser incluem o Projeto Dragonfly, um estudo de viabilidade do Instituto de Estudos Interestelares (i4is) para uma missão que pode atingir um sistema estelar próximo dentro de um século.
Depois, há o Breakthrough Starshot, que propõe uma matriz de laser de 100 gigawatts (Gw) que aceleraria uma nanoespaçonave em escala de gramas (Starchip).
A uma velocidade máxima de 161 milhões de km ou 20% da velocidade da luz, o Starshot seria capaz de alcançar Alpha Centauri em cerca de 20 anos. Inspirados por esses conceitos, o Prof. Davoyan e seus colegas propõem uma nova ideia inovadora: um conceito de feixe de pellets.
Este conceito de missão poderia servir como uma missão precursora interestelar de trânsito rápido, como Starshot e Dragonfly.
Mas, para seus propósitos, Davoyan e sua equipe examinaram um sistema de feixe de pellets que impulsionaria uma carga útil de ~900 kg a uma distância de 500 UA em menos de 20 anos. Davoyan disse:
“No nosso caso, o feixe que impulsiona a espaçonave é feito de minúsculos pellets, daí [nós o chamamos de] feixe de pellets. Cada pellet é acelerado a velocidades muito altas por ablação a laser e, em seguida, os pellets carregam seu impulso para empurrar a espaçonave.
Ao contrário de um feixe de laser, os projéteis não divergem tão rapidamente, permitindo-nos acelerar uma espaçonave mais pesada. Os pellets, sendo muito mais pesados que os fótons, carregam mais momento e podem transferir uma força maior para uma espaçonave.”
Além disso, o pequeno tamanho e a baixa massa dos pellets significam que eles podem ser impulsionados por feixes de laser de potência relativamente baixa. No geral, Davoyan e seus colegas estimam que uma espaçonave de 1 tonelada poderia ser acelerada a velocidades de até ~30 UA por ano usando um feixe de laser de 10 megawatts (Mw).
Para o esforço da Fase I, eles demonstrarão a viabilidade do conceito de pellet-beam por meio de modelagem detalhada dos diferentes subsistemas e experimentos de prova de conceito. Eles também explorarão a utilidade do sistema de feixe de pellets para missões interestelares que podem explorar estrelas vizinhas em nossos tempos de vida.
“O feixe de pellets visa transformar a maneira como o espaço profundo é explorado, permitindo missões de trânsito rápido para destinos distantes”, disse Davoyan. “Com o feixe de pellets, os planetas externos podem ser alcançados em menos de um ano, 100 UA em cerca de três anos e com as lentes de gravidade solar em 500 UA em cerca de 15 anos. É importante ressaltar que, ao contrário de outros conceitos, o feixe de pellets pode impulsionar espaçonaves pesadas (~1 tonelada), o que aumenta substancialmente o escopo de possíveis missões.”
Se realizada, uma espaçonave de Lente Gravitacional Solar permitiria aos astrônomos obter imagens diretamente de exoplanetas vizinhos (como Proxima b) com resolução de vários pixels e obter espectros de suas atmosferas. Essas observações ofereceriam evidências diretas de atmosferas, bioassinaturas e possivelmente até tecnoassinaturas.
Desta forma, a mesma tecnologia que permite aos astrônomos obter imagens diretas de exoplanetas e estudá-los em detalhes extensivos também permitiria que missões interestelares os explorassem diretamente.
