Saia do caminho: o primeiro combustível sólido de foguete reiniciável pode ajudar a reduzir o lixo espacial (op-ed)

Um artista

Uma representação artística de satélites orbitando a Terra. (Crédito da imagem: NASA)

Nicholas Dallmann é engenheiro de pesquisa no Laboratório Nacional de Los Alamos, uma instalação do Departamento de Energia dos EUA. Ele contribuiu com este artigo para Space.com's Vozes de especialistas: Op-Ed e Insights . O projeto que ele descreve é ​​financiado pelo Laboratório de Los Alamos, Directed Research and Development.

No filme 'Gravity' de 2013, lixo espacial quase matou Sandra Bullock. Embora aquela história fosse definitivamente ficção (e ficção sensacionalista), a ameaça do lixo espacial é real - tão real que a NASA tem um escritório inteiro dedicado a rastreá-la e mitigá-la. E o ano passado marcou a primeira conferência internacional focada inteiramente em detritos orbitais.



Há bons motivos para se preocupar. Atualmente, cerca de 2.000 operacionais satélites orbite a Terra - para não mencionar outros 3.000 não operacionais - e esse número deve disparar. Este ano, mais de 1.500 satélites estão programados para lançamento. (Compare com 2018, quando apenas 365 foi lançado.)

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O espaço pode ser grande, mas está ficando cada vez mais lotado, e isso é um problema real. A órbita baixa da Terra, ou LEO, por onde a maioria dos satélites viaja, é um recurso natural. E, assim como outros recursos naturais, precisamos administrá-lo com cuidado. Só é preciso por alguns satélites para colidir para estimular o efeito Kessler: uma reação em cadeia descontrolada onde mais destroços resultam em mais colisões, o que poderia não apenas danificar ou destruir virtualmente todas as espaçonaves em LEO, mas tornar essa parte do espaço inútil por décadas.

Mas e se você pudesse manobrar os satélites em rota de colisão para fora do caminho do perigo? Acredite ou não, isso não é fácil de fazer. A maioria dos satélites enviados para o LEO - particularmente pequenos satélites e cubos-gatos - não tem sistemas de propulsão porque tendem a ser pesados ​​e caros. Eles também representam um risco adicional para o foguete que está transportando o satélite para o espaço, bem como para qualquer outra carga útil que pegue uma carona. Isso porque o sistema de propulsão de foguete mais comum usa combustível de foguete líquido, que é extremamente volátil. Se você é um pequeno cubo em uma espingarda em um foguete multimilionário e seu sistema de propulsão inconstante explode durante o lançamento ou na viagem ao espaço sideral, você terminou a missão inteira. Fale sobre um dia ruim.

A solução mais fácil é usar combustível sólido de foguete. É de alto empuxo, muito mais seguro e de baixo custo, além de poder ser armazenado por períodos extremamente longos. Mas o combustível sólido de foguete tem uma grande desvantagem: ele não pode ser interrompido e reiniciado. Depois de acendê-lo, você tem uma queimadura. É isso. E isso é um problema para evitar detritos. Para evitar a colisão mudando a órbita, você precisa de pelo menos duas queimaduras independentes: uma para movê-lo rapidamente para fora do caminho e outra para colocá-lo de volta em sua órbita correta. Para sair da órbita do satélite, você provavelmente também precisará de várias queimaduras.

No Laboratório Nacional de Los Alamos, estamos trabalhando para mudar isso. Recentemente, desenvolvemos e demonstramos a capacidade de parar e reiniciar motores de foguete sólidos muitas vezes - algo que nunca foi feito antes.

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Como funciona

Um foguete sólido é simples, com apenas alguns componentes principais. Inclui uma câmara de combustão contendo um sistema de ignição e propelente e um bocal de exaustão. Recentemente, desenvolvemos um sistema propelente mais seguro com combustível sólido e oxidante sólido separados. No entanto, para tornar nosso sistema de foguete sólido capaz de parar e reiniciar, precisávamos desenvolver um sistema de ignição reutilizável e uma maneira reinicializável de extinguir uma queimadura.

Para a ignição, substituímos a pirotecnia tradicional por água. Com nosso sistema, um satélite seria lançado com um pequeno tanque de água benigna. Uma vez em órbita e pouco antes da queima, um eletrolisador separaria a água em gases hidrogênio e oxigênio. No momento da ignição, o hidrogênio e o oxigênio seriam rapidamente injetados na câmara de combustão e acesos por uma faísca. A chama resultante acenderia o propelente sólido.

O próximo desafio era descobrir como extinguir a queimadura. Há muito tempo se sabe que uma descompressão rápida da câmara pode causar a extinção de um foguete sólido - mas a melhor forma de fazer isso? No ano passado, desenvolvemos um bico aerospike com área de estrangulamento mutável. Uma vez que a queima atingiu uma mudança de velocidade desejada, a área de estrangulamento seria aberta, descomprimindo a câmara e extinguindo a queima. Quando outra queima do foguete é necessária, a área de estrangulamento é restaurada à sua posição original. Repita conforme necessário.

Recentemente, demonstramos várias queimaduras independentes de um único foguete sólido em bancadas de teste estático em Los Alamos. O próximo obstáculo será uma demonstração em órbita. Estamos trabalhando agora para refinar nosso sistema e procurando uma oportunidade para a demonstração.

Também estamos pensando em desenvolver uma carga útil que seja isolada do satélite principal e que contenha sua própria energia, tenha comunicação de baixa largura de banda com o solo, tenha controle de atitude para estabelecer o ponto de queima e esteja equipada com nosso sistema de foguete sólido. Com esta carga útil, evitar detritos e desorbitar possivelmente poderia ser executado muitos anos depois que o satélite atingiu o fim de sua vida útil.

Foguetes sólidos não são a resposta para todos os desafios potenciais para lidar com o problema do lixo espacial - mas sua simplicidade, facilidade de escalonamento para o tamanho da espaçonave, alto empuxo e agora vários empuxos independentes os torna um grande candidato para evitar detritos orbitais e desorbitação . Nossa esperança é que, algum dia, esses foguetes viajem a bordo de todos os satélites lançados ao espaço - mantendo o LEO seguro e utilizável por milênios vindouros.

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