Nos próximos anos, a NASA e outras agências espaciais planeiam alargar o alcance da exploração humana. Isto incluirá a criação de infraestrutura na Lua que permitirá missões tripuladas regularmente. Esta infraestrutura permitirá à NASA e aos seus parceiros internacionais dar o próximo grande salto, enviando missões tripuladas a Marte (até 2039, no mínimo). Ter missões operando tão longe da Terra por longos períodos significa que as oportunidades de reabastecimento serão poucas e raras. Como resultado, as tripulações necessitarão de contar com a Utilização de Recursos In-Situ (ISRU), onde os recursos locais são aproveitados para satisfazer as necessidades básicas.
Além do ar, da água e dos materiais de construção, a capacidade de criar propulsores a partir de recursos locais é essencial. De acordo com as actuais arquitecturas de missão, isto consistiria em recolher água gelada nas regiões polares e quebrá-la para criar oxigénio líquido (LOX) e hidrogénio líquido (LH).2). Contudo, de acordo com um novo estudo liderados por engenheiros da Universidade McGill, o propelente de foguete poderia ser moldado a partir de regolito lunar também. Suas descobertas poderiam apresentar novas oportunidades para futuras missões à Lua, que não seriam mais restritas às regiões polares.
A equipe de pesquisa foi liderada por Sebastian K. Hamplum candidato a mestrado em Engenharia Mecânica na Universidade McGill e parte do Laboratório de Combustíveis Alternativos. Ele foi acompanhado por vários colegas do Departamento de Engenharia Mecânica da McGill, bem como por pesquisadores do Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica na Universidade do Texas em El Paso, o Instituto de Pesquisa de Materiais Avançados em Seul, e o Universidade de Tecnologia de Eindhoven na Holanda. O artigo deles, “Projeto conceitual de motores de foguete usando propelentes derivados de regolito”, apareceu recentemente em Acta Astronáutica.
A produção de propelente a partir de recursos lunares é uma das várias medidas destinadas a reduzir o custo das missões ao espaço profundo. Enquanto as missões de reabastecimento à Estação Espacial Internacional (ISS) podem ser montadas em poucas horas, o envio de uma à Lua levaria cerca de três dias. Com base nos custos atuais de lançamento, enviar um para a Lua custaria mais de US$ 35.000 por kg (US$ 15.909 por lb). Quando se considera o tempo que leva para fazer um trânsito só de ida para Marte usando a tecnologia de propulsão atual – 6 a 9 meses – a importância do ISRU torna-se ainda mais aparente.
A necessidade de produzir propelente in situ também reduzirá os requisitos de massa e carga útil dos navios. Como estabelece a Equação do Foguete, os foguetes geram impulso expelindo parte de sua massa (isto é, o propelente). A quantidade de propelente está diretamente relacionada à massa total e à carga útil da espaçonave, o que torna o propulsor a maior fonte de massa da espaçonave. Considere a variante Bloco 1 do Sistema de Lançamento Espacial (SLS) da NASA – o foguete enviou o foguete desenroscado Ártemis I nave espacial além da Lua e mais distante da Terra do que qualquer veículo com capacidade para transportar tripulação na história.
Embora o SLS pese 1.588 toneladas métricas (3,5 milhões de libras) quando sem combustível (também conhecido como massa seca), ele pesa até 2.603 toneladas métricas (5,74 milhões de libras) totalmente abastecido. O Nave Estelar e Super Pesadao sistema de lançamento mais poderoso do mundo, tem uma massa seca total de 285 toneladas métricas (~630.000 libras), mas pesa incríveis 4.885 toneladas métricas (10,77 milhões de libras) totalmente abastecido. Em suma, a massa do propulsor compõe 64% e 94% dessas massas de lançamento de espaçonaves, respectivamente. Como Hampl explicou ao Universe Today por e-mail:
“Precisamos produzir recursos localmente, pois eles ocupam muito espaço em termos de carga útil no foguete. Isso limita a quantidade de recursos que podemos levar para a superfície lunar. Sem reabastecimento, o alcance das missões é muito limitado, pois cada gota de propelente precisa ser orçada e, se algo der errado e usar propelente extra, os astronautas podem não conseguir retornar à Terra. O sistema que temos atualmente pode ser comparado a uma infraestrutura de carro, onde você só pode abastecer em um lugar no globo inteiro e qualquer “missão de exploração” que você queira fazer teria que ser planejada meticulosamente e cada erro pode deixá-lo encalhado.”
O conceito de ISRU é consagrado pelo tempo, embora nenhuma tentativa tenha sido feita durante a Era Apollo, quando os astronautas pisaram pela última vez na superfície lunar. Atualmente, o principal conceito de ISRU exige a coleta de gelo de água do regolito da superfície e sua submissão à eletrólise para produzir hidrogênio e oxigênio. Mas, como Hampl indicou, a água da superfície está localizada na Lua, existindo em Regiões permanentemente sombreadas (PSRs) ao redor dos pólos. Na Bacia do Pólo Sul-Aitken, crateras como Shoemaker, Shackleton e Faustini actuam como “armadilhas frias”, garantindo que a água gelada não sublima devido à exposição ao Sol.
Além disso, a extração é um desafio, e o armazenamento de hidrogênio por períodos mais longos é muito problemático. Isso impõe muitos limites, e é por isso que Hampl e seus colegas começaram a investigar uma alternativa que a NASA investigou nos anos 80 (mas nunca desenvolveu). Como Hampl explicou:
“Propusemos usar o regolito lunar para derivar propulsores que são onipresentes. Do regolito é possível extrair componentes metálicos (que serão o combustível) e oxigênio (que será usado como oxidante). Também investigamos como extrair enxofre (que é abundante o suficiente, embora não tão abundante quanto os componentes metálicos) para expandir nossas opções de configurações de motores de foguete. Como a produção de oxigénio a partir do regolito é vital para a manutenção do habitat lunar, a tecnologia de redução para extrair oxigénio do regolito está a ser desenvolvida. O pó metálico será um subproduto do processo e propomos convenientemente utilizá-lo como combustível de foguete.”
Um benefício deste processo é que ele contará com tecnologias de mineração espacial desenvolvidas por startups que esperam aproveitar a comercialização da Órbita Terrestre Baixa (LEO) e do espaço Cis-Lunar nas próximas décadas. O processo também é “pobre em combustível”, que se refere a ter mais oxidante do que combustível em um motor de foguete. “No nosso caso, uma pequena quantidade de pó metálico e uma grande quantidade de oxigênio”, disse Hampl. “A proporção entre oxidante e combustível pode ser ajustada e influencia muito os parâmetros de combustão, como temperaturas e desempenho.”
As vantagens do sistema proposto são inúmeras. Para começar, permitiria que futuras missões produzissem propelente em qualquer lugar da superfície lunar com eletricidade. “As únicas coisas que seriam necessárias, obviamente, são as instalações de produção e um eletrólito, que provavelmente terão de ser trazidos da Terra (mas as quantidades são administráveis)”, disse Hampl. “Existem métodos de redução que requerem apenas eletricidade, mas são menos eficientes e não parecem funcionar tão bem (investigação em curso). Além disso, o propelente é mais fácil de armazenar, mais denso que o hidrogênio e pode ser transportado com mais facilidade.”
Além disso, motores que dependem de propelente de pó metálico estão sendo desenvolvidos atualmente, especialmente com ramjets e aplicações para propulsão a ar. A única desvantagem é que o desempenho previsto de um foguete usando esse propelente é menor do que o de um foguete que depende de LH2/LOX pode entregar. No entanto, a natureza “pobre em combustível” de seu propelente resulta em temperaturas de combustão muito mais baixas, causando menos tensão no material e reduzindo o custo de reparo e reforma. Além disso, a diminuição do desempenho em comparação ao LH2/LOX em temperaturas de combustão mais baixas não é tão pronunciado.
Este método proposto poderia abrir novas portas para ISRU na Lua e maior flexibilidade quando se trata de missões de reabastecimento. “Nosso trabalho se concentrou nos cálculos termodinâmicos e na proposta de maneiras de implementá-los, bem como na apresentação das vantagens dessa tecnologia”, disse Hampl. “Esperamos que alguém pegue a ideia e comece a desenvolver e testar tal motor, pois acreditamos fortemente que este seria um conceito melhor do que usar hidrogênio/oxigênio e deveria receber mais atenção.”
É apropriado que em seus planos de retornar à Lua (desta vez, para ficar), agências espaciais como a NASA estejam reexaminando conceitos que foram propostos durante a Era Apollo, mas nunca desenvolvidos. Esses conceitos, que incluem tudo, desde propulsores metálicos, ISRU, habitats de circuito fechado e propulsão nuclear, também serão vitais na exploração de Marte e além. Eles também serão vitais em nossos esforços para estender a presença da humanidade além da Terra e do sistema Terra-Lua.
Leitura adicional: Acta Astronáutica
Fonte: InfoMoney
