Um propulsor a fusão para viagens espaciais

Reação altamente energética, limpa, produz um grande impulso a partir de uma gota de combustível.

Por Willie D. Jones em ieespectrum

Tradução de Ricardo Sovat
   

28 de Junho de 2011 – Projetistas de satélites são obsessivos quanto a quão pouco combustível suas criações podem carregar no espaço. Logo, o método de propulsão que eles escolhem para manobras tais como mudanças de órbita tem que conseguir muito a partir de pouco.

Agora um engenheiro da NASA apresentou um novo método de mover satélites pelo espaço com meros gramas de combustível, dezenas de vezes mais eficientemente que os melhores propulsores das sondas espaciais atualmente empregados.

A resposta, ele diz, é a fusão. Você pode estar pensando, “Fusão? Sério?” (Fusion? Really?) Mas não é tão forçado quanto parece à primeira vista. O engenheiro divulgou os detalhes no Simpósio de Engenharia de Fusão do IEEE, em Chicago (IEEE Symposium on Fusion Engineering).

Em vez de usar deutério e trítio como fonte de combustível, o novo motor extrai energia do boro. Usar boro, um combustível “aneutrônico”, apresenta diversas vantagens sobre a fusão nuclear convencional. Fusão Aneutrônica, na qual nêutrons representam menos do que 1% das partículas energizadas resultantes de uma reação, é mais fácil de controlar. “Nêutrons são problemáticos, porque antes de tudo são difíceis de dominar,” diz John J. Chapman, o inventor do conceito, físico e engenheiro eletrônico no Centro de Pesquisas da NASA em Langley, Virginia. Para utilizar nêutrons, “você precisa de uma barreira absorvente que converta a energia cinética das partículas em calor,” diz. “Na verdade, tudo que você consegue é uma máquina térmica de luxo, com todas suas perdas e limitações decorrentes.”

No método do reator de fusão aneutrônico de Chapman, um laser de bancada disponível no mercado inicia a reação. Um feixe com energia na ordem de 2 x 10¹⁸ watts por centímetro quadrado, frequências de pulso superiores a 75 megahertz e comprimentos de onda entre 1 e 10 micrômetros é dirigido para um alvo de duas camadas e 20 centímetros de diâmetro.

A primeira camada é uma folha de uma película metálica condutora com espessura entre 5 e 10 µm. Ela é responsável pelo campo elétrico de teravolt por metro criado pelo pulso de laser, “funcionando como um acelerador de prótons de fato,” diz Chapman. O campo elétrico libera uma chuva de elétrons altamente energéticos da película, deixando um tremenda carga positiva de saldo. O resultado é uma força auto-repulsiva substancial entre os prótons, que levam o material metálico a explodir. A explosão acelera prótons na direção da segunda camada do alvo, um filme de boro‑11. 

Adaptado de ieeespectrum magazine.

Lá, uma complicada dança nuclear se inicia. Os prótons (que carregam energia da ordem de aproximadamente 163 keV) chocam-se com os núcleos de boro formando núcleos de carbono excitados. Os carbonos decaem imediatamente, cada um formando um núcleo de hélio-4 (uma partícula alfa) e um núcleo de berilo. Quase instantaneamente o núcleo de berilo decai, fragmentando-se em mais duas partículas alfa. Logo, para cada par próton-boro que reage, têm-se três partículas alfa, cada uma com uma energia cinética de 2,9 MeV. 

As forças eletromagnéticas empurram o alvo e as partículas alfa em direções opostas e as partículas são expelidas da espaçonave por um bocal, fornecendo propulsão ao veículo. Cada pulso de laser geraria cerca de 100.000 partículas, tornando o método tremendamente eficiente, diz Chapman. E, de acordo com seus cálculos, melhoramentos nos sistemas de laser de pulsos curtos poderiam fazer esta forma de propulsor 40 vezes mais eficiente até mesmo que o melhor sistema de propulsão iônico atualmente usado para mover espaçonaves. Mesmo com uma eficiência de 50%, a queima de 40 miligramas do combustível de boro geraria 1 gigajoule de energia. A potência total depende da taxa de pulsos do laser.

O motor poderia gerar 1 megawatt se os pulsos fossem frequentes o bastante para iniciar reações que consumissem aquela quantidade de boro em 1000 segundos. (De acordo com Chapman, o uso desta técnica de fusão aneutrônica com isótopos de hélio-3 atingiria aproximadamente 60% mais energia por unidade de massa. Porém, o boro é uma fonte de combustível muito mais atraente porque é abundante na Terra, enquanto o hélio-3 é escasso). Outra grande vantagem da propulsão espacial a fusão, alega Chapman, é que parte da energia pode ser convertida em eletricidade para alimentar o sistema de controle embarcado da espaçonave. “Um tubo de ondas viajantes — basicamente um klystron invertido — absorve a maior parte da energia cinética do fluxo de partículas e a converte eficientemente em energia elétrica”, diz Chapman. O processo, segundo ele, tem um rendimento entre 60 e 70 por cento.

O engenheiro da NASA reconhece que este conjunto de ideias ainda está longe de se tornar um dispositivo prático. Por exemplo, as perdas advindas do choque das partículas alfa com as laterais do bocal de exaustão ou umas com as outras reduzem o saldo de energia obtido. Imaginar como controlar a trajetória das partículas é um ponto importante.

Ao ser perguntado quanto tempo levará até seu reator de fusão estar impulsionando uma espaçonave em direção a Marte, Chapman admite que uma década de trabalho poderia ser necessária antes disto acontecer. “É preciso uma equipe de trabalho para obter alguma coisa em condições de ser mandada ao espaço”, diz. Seu objetivo até agora é “expor a ideia de modo que outras mentes possam começar a pensar a respeito”.