Os sistemas de alimentação (alimentação, se for mais simples, porque até as máquinas precisam comer alguma coisa) são uma parte importante da espaçonave. Eles têm que trabalhar em condições extremas e ser extremamente confiáveis. No entanto, com as crescentes demandas de energia de espaçonaves complexas, precisaremos de novas tecnologias no futuro. As missões que durarão décadas exigirão uma nova geração de fontes de alimentação. Quais opções?
Os telefones celulares mais recentes mal sobrevivem um dia sem ter que ser plugados na tomada. Mas a sonda Voyager, lançada há 38 anos, ainda está nos enviando informações de além do sistema solar. As sondas Voyager são capazes de processar com eficiência 81.000 instruções por segundo, mas em média os smartphones são 7.000 vezes mais rápidos.
É claro que seus telefones celulares nascem para serem recarregados regularmente e é improvável que se afastem vários milhões de quilômetros da tomada mais próxima. Não é prático recarregar uma espaçonave que está a 100 milhões de quilômetros da estação mais próxima. Em vez disso, uma espaçonave deve ser capaz de armazenar ou gerar energia suficiente para navegar pelo espaço por décadas. E isso, como se viu, é difícil de arranjar.
Enquanto alguns sistemas internos requerem energia apenas ocasionalmente, outros devem estar constantemente funcionando. Os transponders e receptores devem estar ativos o tempo todo e, no caso de um vôo tripulado ou estação espacial, os sistemas de suporte de vida e de iluminação também devem funcionar.
O Dr. Rao Surampudi é o gerente do programa de tecnologia de energia do Jet Propulsion Laboratory do California Institute of Technology. Por mais de 30 anos, ele tem desenvolvido sistemas de fornecimento de energia para várias espaçonaves da NASA.
De acordo com Surampudi, os sistemas de energia de naves espaciais representam aproximadamente 30% da massa de transporte e podem ser divididos em três subgrupos importantes:
Geração de energia;
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armazenamento de energia;
gerenciamento e distribuição de energia
Esses sistemas são críticos para o funcionamento da espaçonave. Eles devem ter uma massa baixa, viver muito e ser “energeticamente densos”, ou seja, produzir muita energia em volumes relativamente pequenos. Eles também precisam ser bastante confiáveis, porque algumas coisas no espaço seriam quase irrealistas ou impraticáveis de consertar.
Esses sistemas não devem apenas fornecer energia para todas as necessidades a bordo, mas também durante toda a missão - algumas das quais podem durar dezenas ou centenas de anos.
“A expectativa de vida tem que ser longa, porque se algo der errado, você não pode consertar”, diz Surampudi. "Levará de cinco a sete anos para chegar a Júpiter, mais de dez anos para Plutão, mas deixar o sistema solar leva 20-30 anos."
Devido ao ambiente único em que operam, os sistemas de alimentação da espaçonave devem ser capazes de operar em gravidade zero e no vácuo, bem como resistir à radiação colossal (normalmente, em tais condições, a eletrônica não funciona). "Se você pousar em Vênus, as temperaturas podem chegar a 460 graus Celsius, mas em Júpiter elas podem cair para -150 graus."
A espaçonave, que se dirige para o centro do nosso sistema solar, receberá muita energia solar para seus painéis fotovoltaicos. Os painéis solares de naves espaciais podem parecer painéis solares comuns para nossas casas, mas são projetados para funcionar de forma mais eficiente do que em casa.
O aumento repentino da temperatura devido à proximidade do sol também pode causar o superaquecimento dos painéis solares. Isso é mitigado girando os painéis solares para longe do Sol, o que limita a exposição a raios intensos.
Quando uma espaçonave entra na órbita de um planeta, as células solares se tornam menos eficientes; eles não podem gerar muita energia devido a eclipses e passagem pela sombra do planeta. É necessário um sistema de armazenamento de energia confiável.
Os átomos respondem
Um desses tipos de sistema de armazenamento de energia são as baterias de níquel-hidrogênio, que podem ser recarregadas mais de 50.000 vezes e durar mais de 15 anos. Ao contrário das baterias comerciais, que não operam no espaço, essas baterias são sistemas hermeticamente fechados que podem operar no vácuo.
Quando você voa para longe do Sol, a radiação solar diminui gradualmente de 1,374 W / m2 ao redor da Terra para 50 W / m2 perto de Júpiter, enquanto Plutão já atinge cerca de 1 W / m2. Portanto, quando uma espaçonave sai da órbita de Júpiter, os cientistas recorrem a sistemas atômicos para fornecer energia à espaçonave.
O tipo mais comum são os geradores termoelétricos de radioisótopos (RTGs para abreviar), que foram usados na Voyager, Cassini e o rover Curiosity. Eles são dispositivos de estado sólido que não possuem partes móveis. Eles geram calor durante a decomposição radioativa de elementos como o plutônio e têm vida útil de mais de 30 anos.
Quando o uso de um RTG não é possível - por exemplo, se o peso da blindagem necessária para proteger a tripulação torna o veículo inviável - e a distância do Sol impede o uso de painéis solares, então as células de combustível são acionadas.
Células de combustível de hidrogênio-oxigênio foram usadas durante as missões espaciais Apollo e Gemini. Embora as células de combustível de hidrogênio-oxigênio não possam ser recarregadas, elas têm uma alta energia específica e não deixam nada além de água para os astronautas beberem.
A pesquisa em andamento da NASA e do JPL permitirá que os futuros sistemas de energia gerem e armazenem mais energia usando menos espaço e por mais tempo. No entanto, as novas espaçonaves exigem cada vez mais reservas à medida que seus sistemas a bordo se tornam mais complexos e ávidos por energia.
Os requisitos de alta energia são especialmente verdadeiros quando a espaçonave usa um sistema de propulsão elétrica como o propulsor de íons, entregue pela primeira vez ao Deep Space 1 em 1998 e ainda usado com sucesso em espaçonaves. Os sistemas de propulsão elétrica geralmente ejetam combustível com eletricidade em alta velocidade, mas outros usam cordas eletrodinâmicas que interagem com os campos magnéticos do planeta para mover a espaçonave.
A maioria dos sistemas de energia da Terra não funcionará no espaço. Portanto, qualquer novo sistema de fornecimento de energia deve ser completamente testado antes de ser instalado em uma nave espacial. A NASA e o JPL estão usando seus laboratórios para simular as condições adversas em que esta nova tecnologia operará, bombardeando novos componentes e sistemas com radiação e os expondo a temperaturas extremas.
Vida extra
Os geradores de radioisótopos de Stirling estão sendo preparados para futuras missões. Com base nos RTGs existentes, esses geradores são muito mais eficientes do que seus irmãos termelétricos e podem ser muito menores, embora com um arranjo mais complexo.
Novos tipos de baterias também estão sendo desenvolvidos para a missão planejada da NASA para a Europa (uma das luas de Júpiter). Eles devem operar em uma faixa de temperatura de -80 a -100 graus Celsius. A possibilidade de criar baterias avançadas de íon-lítio com o dobro da energia armazenada está sendo estudada. Eles podem permitir que os astronautas passem o dobro do tempo na lua antes que as baterias acabem.
Estão sendo desenvolvidos novos painéis solares que poderão operar em condições de intensidade luminosa e temperatura reduzidas, ou seja, a espaçonave poderá operar com energia solar mais distante do sol.
Um dia a NASA finalmente decidirá construir uma base permanente em Marte com pessoas, e talvez em outro planeta. A agência precisará de sistemas de geração de energia muito mais poderosos do que os existentes.
A lua é rica em hélio-3, um elemento raro na Terra que poderia ser um combustível ideal para a fusão nuclear. No entanto, até agora, tal síntese não é considerada estável ou confiável o suficiente para formar a base para o fornecimento de energia da espaçonave. Além disso, um reator de fusão típico, como um tokamak, tem o tamanho de uma casa e não cabe em uma nave espacial.
E os reatores nucleares que seriam perfeitos para espaçonaves movidas a eletricidade e missões planejadas para pousar na Lua e em Marte? Em vez de trazer um sistema de fornecimento de energia separado para a colônia, o gerador nuclear da espaçonave poderia ser usado.
As naves espaciais com um tipo de motor nuclear-elétrico são consideradas para missões de longo prazo no futuro. "Uma missão de redirecionamento de asteróide exigirá poderosos painéis solares que fornecerão propulsão elétrica suficiente para a espaçonave manobrar em torno do asteróide", disse Surampudi. “Em algum momento íamos lançá-lo com energia solar, mas com a nuclear tudo ficará muito mais barato”.
No entanto, não veremos espaçonaves com energia nuclear por muitos anos. “A tecnologia ainda não amadureceu”, diz Surampudi. "Precisamos ter certeza de que eles estão seguros após o lançamento." Eles terão que passar por testes rigorosos para mostrar se é seguro expor essas instalações nucleares aos duros testes do espaço."
Os novos sistemas de fornecimento de energia permitirão que a espaçonave opere por mais tempo e viaje mais longe, mas ainda está apenas no início de seu desenvolvimento. Quando testados, eles se tornarão componentes essenciais para missões tripuladas a Marte e além.
