As missões espaciais com duração de várias décadas - ou até mais - exigirão uma nova geração de fontes de alimentação.
O sistema de energia é um componente vital da espaçonave. Esses sistemas devem ser extremamente confiáveis e projetados para resistir a ambientes adversos.
Os dispositivos sofisticados de hoje requerem cada vez mais energia - qual é o futuro de suas fontes de alimentação?
Um smartphone moderno médio mal consegue durar um dia com uma única carga. E a sonda Voyager, lançada 38 anos atrás, ainda está transmitindo sinais para a Terra depois de deixar o sistema solar.
Os computadores Voyager são capazes de 81 mil operações por segundo - mas o processador de um smartphone é sete mil vezes mais rápido.
Ao projetar um telefone, é claro, presume-se que ele será recarregado regularmente e provavelmente não estará a vários milhões de quilômetros da tomada mais próxima.
Não funcionará para carregar a bateria da espaçonave, que, de acordo com o plano, deveria estar localizada a cem milhões de quilômetros da fonte atual, não funcionará - ela precisa ser capaz de carregar baterias de capacidade suficiente a bordo para operar por décadas ou gerar eletricidade por conta própria.
Acontece que é muito difícil resolver esse problema de design.
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Alguns dispositivos de bordo precisam apenas de eletricidade de vez em quando, mas outros precisam funcionar continuamente.
Os receptores e transmissores devem estar sempre ligados e, em voos tripulados ou em uma estação espacial tripulada, os sistemas de suporte de vida e de iluminação também devem estar ligados.
O Dr. Rao Surampudi lidera o Programa de Tecnologia de Energia no Laboratório de Propulsão a Jato do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos. Por mais de 30 anos, ele tem desenvolvido sistemas de energia para vários veículos da NASA.
Segundo ele, o sistema de energia costuma responder por cerca de 30% da massa total da espaçonave. Ele resolve três tarefas principais:
- geração da eletricidade
- armazenamento de eletricidade
- distribuição de eletricidade
Todas essas partes do sistema são vitais para o funcionamento do aparelho. Eles devem ser leves, duráveis e ter uma alta "densidade de energia" - ou seja, gerar muita energia com um volume bastante pequeno.
Além disso, eles devem ser confiáveis, uma vez que enviar uma pessoa ao espaço para consertar avarias é muito impraticável.
O sistema não deve apenas gerar energia suficiente para todas as necessidades, mas também durante todo o voo - que pode durar décadas e, no futuro, possivelmente, séculos.
“A vida útil do projeto deve ser longa - se algo quebrar, não haverá ninguém para consertar”, diz Surampudi. "O vôo para Júpiter leva de cinco a sete anos, para Plutão mais de 10 anos e leva de 20 a 30 anos para deixar o sistema solar."
Os sistemas de energia de uma espaçonave estão em condições muito específicas - devem permanecer operacionais na ausência da gravidade, no vácuo, sob a influência de radiação muito intensa (o que desabilitaria a maioria dos aparelhos eletrônicos convencionais) e temperaturas extremas.
“Se você pousar em Vênus, 460 graus serão ao mar”, diz o especialista. "E ao pousar em Júpiter, a temperatura será de menos 150".
As espaçonaves que se dirigem ao centro do sistema solar não têm falta de energia coletada por seus painéis fotovoltaicos.
Esses painéis parecem um pouco diferentes dos painéis solares instalados em telhados de edifícios residenciais, mas ao mesmo tempo funcionam com uma eficiência muito maior.
É muito quente perto do sol e os painéis fotovoltaicos podem superaquecer. Para evitar isso, os painéis são afastados do sol.
Em órbita planetária, os painéis fotovoltaicos são menos eficientes: eles geram menos energia, pois de vez em quando são isolados do Sol pelo próprio planeta. Em situações como essa, é necessário um sistema confiável de armazenamento de energia.
Solução atômica
Esse sistema pode ser construído com base em baterias de níquel-hidrogênio, que suportam mais de 50 mil ciclos de carga e duram mais de 15 anos.
Ao contrário das baterias convencionais, que não funcionam no espaço, essas baterias são seladas e podem funcionar normalmente no vácuo.
À medida que nos afastamos do Sol, o nível de radiação solar diminui naturalmente: para a Terra é 1374 watts por metro quadrado, para Júpiter - 50, e para Plutão - apenas um watt por metro quadrado.
Portanto, se a espaçonave deixa a órbita de Júpiter, ela usa sistemas de energia atômica.
O mais comum deles é o gerador termoelétrico (RTG) de radioisótopo usado nas sondas Voyager e Cassini e no rover Curiosity.
Não há peças móveis nessas fontes de alimentação. Eles geram energia pela decomposição de isótopos radioativos, como o plutônio. Sua vida útil é superior a 30 anos.
Se for impossível usar um RTG (por exemplo, se uma tela muito grande para o vôo for necessária para proteger a tripulação da radiação) e os painéis fotovoltaicos não forem adequados devido à distância muito grande do Sol, então as células de combustível podem ser usadas.
As células de combustível de hidrogênio-oxigênio foram usadas nos programas espaciais americanos Gemini e Apollo. Essas células não podem ser recarregadas, mas liberam muita energia e um subproduto desse processo é a água, que a tripulação pode beber.
A NASA e o Jet Propulsion Laboratory estão trabalhando para criar sistemas mais poderosos, com uso intensivo de energia e compactos com uma vida útil elevada.
Mas as novas espaçonaves precisam de cada vez mais energia: seus sistemas a bordo estão constantemente se tornando complexos e consomem muita eletricidade.
Isso é especialmente verdadeiro para navios que usam um acionamento elétrico - por exemplo, o dispositivo de propulsão iônica, usado pela primeira vez na sonda Deep Space 1 em 1998 e foi amplamente adotado desde então.
Motores elétricos geralmente funcionam ejetando combustível eletricamente em alta velocidade, mas também existem aqueles que aceleram o aparelho por meio da interação eletrodinâmica com os campos magnéticos dos planetas.
A maioria dos sistemas de energia da Terra não são capazes de operar no espaço. Portanto, qualquer novo esquema passa por uma série de testes sérios antes de ser instalado em uma espaçonave.
Os laboratórios da NASA recriam as duras condições em que o novo dispositivo terá de funcionar: é irradiado com radiação e submetido a mudanças extremas de temperatura.
Rumo a novas fronteiras
É possível que geradores de radioisótopos de Stirling melhorados sejam usados em voos futuros. Eles funcionam em um princípio semelhante ao RTG, mas muito mais eficiente.
Além disso, podem ser muito pequenos - embora o design seja ainda mais complicado.
Novas baterias estão sendo construídas para o vôo planejado da NASA para a Europa, uma das luas de Júpiter. Eles serão capazes de operar em temperaturas que variam de -80 a -100 graus.
E as novas baterias de íon-lítio nas quais os designers estão trabalhando atualmente terão o dobro da capacidade das atuais. Com a ajuda deles, os astronautas podem, por exemplo, passar o dobro do tempo na superfície lunar antes de retornar ao navio para recarregar.
Novos painéis solares também estão sendo projetados para coletar energia com eficiência em ambientes com pouca luz e baixas temperaturas - isso permitirá que dispositivos em painéis fotovoltaicos voem para longe do sol.
Em algum momento, a NASA pretende estabelecer uma base permanente em Marte - e possivelmente em planetas mais distantes.
Os sistemas de energia de tais assentamentos deveriam ser muito mais poderosos do que aqueles usados no espaço hoje, e projetados para uma operação muito mais longa.
Há muito hélio-3 na Lua - este isótopo raramente é encontrado na Terra e é o combustível ideal para usinas termonucleares. No entanto, ainda não foi possível alcançar a estabilidade suficiente da fusão termonuclear para usar esta fonte de energia em espaçonaves.
Além disso, os reatores termonucleares existentes atualmente ocupam a área de um hangar de aeronaves, sendo desta forma impossível utilizá-los para voos espaciais.
É possível usar reatores nucleares convencionais - especialmente em veículos com propulsão elétrica e em missões planejadas à Lua e Marte?
Nesse caso, a colônia não precisa operar uma fonte separada de eletricidade - o reator de uma nave pode desempenhar seu papel.
Para voos de longa duração, é possível que sejam utilizadas hélices atômico-elétricas.
“A Missão de Deflexão de Asteróide requer grandes painéis solares para ter energia elétrica suficiente para manobrar em torno do asteróide”, diz Surampudi. "No momento, estamos considerando uma opção de propulsão elétrica solar, mas a elétrica atômica seria mais barata."
No entanto, é improvável que vejamos espaçonaves com energia nuclear no futuro próximo.
“Essa tecnologia ainda não está suficientemente desenvolvida. Devemos ter absoluta certeza de sua segurança antes de lançar um dispositivo desse tipo no espaço”, explica o especialista.
Testes mais rigorosos são necessários para garantir que o reator seja capaz de suportar os rigores do voo espacial.
Todos esses sistemas de energia promissores permitirão que as espaçonaves durem mais e voem por longas distâncias - mas até agora elas estão nos estágios iniciais de desenvolvimento.
Quando os testes forem concluídos com sucesso, esses sistemas se tornarão um componente obrigatório dos voos para Marte - e além.
