PROPULSÃO NUCLEAR. GUILHERME TESTONI, IC E B.V. CARLSON Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Mecânica.

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1 PROPULSÃO NUCLEAR GUILHERME TESTONI, IC E B.V. CARLSON Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Mecânica Resumo Os benefícios da exploração espacial para a humanidade são incalculáveis. O espaço não é somente a próxima fronteira, mas é também o próximo mercado. O espaço orbital ao redor da Terra oferece oportunidades ímpares de exploração, tanto no aspecto militar, como no âmbito comercial. Um dos motivos que nos impede de aventurarmos neste mercado é o alto custo associado ao lançamento orbital. A propulsão química já demonstrou sua ineficiência para atingir a órbita a custos baixos. Uma solução alternativa é o desenvolvimento de sistemas propulsores mais eficientes. A propulsão nuclear tem um grande potencial para ser este sistema. Abstract The potential benefits to humankind of space exploration are great. Space is not only the next frontier but is also the next marketplace. The orbital space above Earth offers tremendous opportunities for both strategic assets and commercial development. The critical obstacle retarding the use of the space close to the Earth is the lack of low cost access to orbit. Chemical propulsion has demonstrated its inability to achieve orbit cheaply. An alternative solution is to develop a high performance propulsion system. Nuclear propulsion has the potential to be such a system. 1. INTRODUÇÃO Vencer a barreira da gravidade e alcançar territórios nunca antes explorados. O que para alguns é um sonho a caminho de ser alcançado, para outros é um desnecessário gasto de recursos. A exploração espacial iniciou-se no século passado e, desde então, a humanidade vem alcançando importantes passos nesta nova etapa da evolução da vida. O desenvolvimento de foguetes à propulsão química foi a tecnologia que deu suporte à realização de um dos sonhos mais antigos do homem: Vencer a força da gravidade e alcançar os céus.

2 No entanto, a propulsão química já teve seu momento na história. Nos serviu como um primeiro passo rumo à expansão de nosso domínio sobre o Universo, mas, ao que tudo indica, para irmos além e continuar expandindo nossas fronteiras, dando continuidade ao processo da evolução da vida, faz-se necessário um sistema propulsivo mais avançado, que possa gerar mais energia, energia capaz de vencer as enormes distâncias interplanetárias em tempo hábil suficiente para não pôr em risco vidas humanas. A corrida pelo desenvolvimento deste sistema propulsivo mais sofisticado iniciou-se na década de 50, mais precisamente em 1955, no Laboratório Científico de Los Alamos, EUA. Dentre os projetos levantados como hipótese de tornar-se realidade, o melhor custo-benefício foi o sistema de propulsão nuclear. O primeiro projeto nuclear a ser desenvolvido foi um sistema propulsivo nuclear de núcleo sólido. Avançou-se muito em curtíssimo espaço de tempo, mas os vultosos gastos, o medo da fissão nuclear e a falta de resultados práticos imediatos que pudessem convencer a opinião pública de que os recursos estavam sendo bem alocados, acabaram por decretar o fim, em 1971, das verbas destinadas a estas pesquisas. Após duas décadas de pesquisas paradas, somente em 1989 os projetos voltaram a ser desenvolvidos, com o objetivo de se poder enviar uma missão tripulada à Marte com bem menos risco de perdas de vidas humanas do que o proporcionado pela propulsão química. 2. OBJETIVOS Para avaliar o que foi produzido nas pesquisas das décadas de 50 e 60, e mais recentemente na década de 90 em termos de propulsão nuclear, foi feita uma pesquisa a respeito de todos os programas nucleares norte-americanos que visavam o desenvolvimento de sistemas propulsores. Os resultados encontrados e publicados aqui, vieram de outros artigos também já publicados e principalmente dos encontrados na rede mundial de computadores. Para iniciar o estudo do impacto que o desenvolvimento de um propulsor nuclear teria na economia de um país, foram pesquisados os gastos atuais associados ao programa espacial norte americano e projeções de gastos caso o novo propulsor fosse implementado. A fonte desses resultados foram a rede mundial de computadores e artigos publicados. Abaixo descrevemos dois dos diversos projetos que tiveram mais influência e perspectiva de sucesso no desenvolvimento de sistemas propulsores nucleares. Como critério de seleção, utilizamos recursos despendidos, tempo de pesquisa, resultados práticos alcançados e influência do projeto em projetos mais avançados que estão sendo desenvolvidos atualmente. 3.1 Programa Nerva (Nuclear Engine for Rocket Vehicle application) Este programa foi desenvolvido na década de 60 e início da de 70. O objetivo era o desenvolvimento de motores nucleares de núcleo sólido. O princípio básico por traz destes motores é que eles podem aquecer gases refrigerantes a altíssimas temperaturas e expeli-los a altíssimas velocidades. Desta forma, o reator é simplesmente

3 uma fonte de energia que substitui a energia química liberada na reação do combustível nos motores químicos. O desenho do reator nuclear é o que diferencia um reator do outro. O princípio básico de funcionamento é o mesmo. Um modelo padrão de um reator nuclear sólido consiste de uma estrutura de suporte, geralmente uma matriz de grafite; um moderador, que é um dispositivo cuja finalidade é diminuir a velocidade dos nêutrons, trazendo-os a energias próximas a 0,0256 ev; um reflector, que serve para refletir os nêutrons de volta ao núcleo; e um aparato capaz de suportar a pressão dos gases no interior do reator [6]. Reatores mais modernos utilizam nêutrons com altas velocidades, dispensando o moderador. Figura 1: Modelo esquemático de um motor propulsor de núcleo sólido. O ciclo de funcionamento do reator é relativamente simples: Hidrogênio líquido é bombeado do tanque até o bocal do foguete, passando pela carcaça exterior do foguete, como forma de resfriamento. A pressão criada pelo bombeamento é necessária para que o fluxo de hidrogênio continue. O hidrogênio responsável pelo resfriamento do bocal é direcionado então à turbina. Parte deste hidrogênio retorna então ao reator para resfriar o domo do reator, a estrutura de suporte e os elementos combustíveis, ao longo do seu caminho no interior do reator [6]. Ao todo foram testados 23 motores deste tipo, que chegaram a atingir temperaturas de mais de 3000 ºC, potências maiores do que 4000 megawatts e tempo de funcionamento superior a 1 hora, demonstrando que reatores com núcleo a base de grafite podem resistir às extremas condições da operação [9]. Nos últimos dias em que este programa esteve ativo, cientistas realizaram cálculos e concluíram que tais motores poderiam atingir um impulso específico de cerca de 850s. A título de comparação, os motores químicos mais modernos que operam hoje, possuem um impulso específico de aproximadamente 450s [4]. Este programa foi desativado em 1972, com a justificativa oficial de que tais motores emitiam material radioativo na atmosfera em níveis acima do tolerado. O aprofundamento do estudo em modelos de motores nucleares de núcleo sólido é interessante porque é um projeto que tem reais possibilidades de num futuro próximo sair dos laboratórios para substituir os motores químicos dos atuais foguetes. Muito estudo já foi realizado e a física do reator e dos gases no interior do motor é a mesma de projetos mais complexos e audaciosos, como o GNCR. 3.2 GNCR (Gas Nuclear Core Rocket)

4 As limitações de temperatura e o problema da erosão causada no reator de núcleo sólido levaram os cientistas a considerar a hipótese de desenvolver um motor nuclear de núcleo gasoso. Essa idéia surgiu na década de 60, porém só foi desenvolvida a partir dos anos 90, devido ao avanço da tecnologia computacional. Existem vários modelos propostos, com diferentes configurações e suposições. O modelo mais promissor e atualmente sendo desenvolvido em Los Alamos National Laboratory, usa um vórtice toroidal de plasma de urânio. O combustível, urânio, é injetado através do centro do vórtice de plasma radioativo, onde é superaquecido até atingir o estado crítico. Jatos de gás hidrogênio, o propelente, são introduzidos axialmente dentro da câmara de reação. À medida que o gás se expande, parte é ejetado para fora pelo bocal, mas uma significativa parte do propelente é desviada e recircula ao redor do vórtice toroidal de plasma de urânio, mantendo o núcleo gasoso sob suficiente pressão para permanecer no estado crítico, isto é, submetido à fissão nuclear [5]. O aparato tecnológico para fazer este sistema funcionar é bastante sofisticado. Para o controle do plasma no interior do motor, são necessários campos magnéticos de altíssima intensidade. Os únicos materiais de que dispomos, capazes de gerar tais campos sem se autodeteriorarem são os materiais supercondutores[5]. O problema que surge é a extrema diferença de temperatura entre o plasma no interior do reator, da ordem de milhares de kelvins, e os materiais supercondutores. Apesar de teoricamente ser possível obter materiais supercondutores à temperaturas relativamente altas, hoje só dispomos de tais materiais a temperaturas da ordem de 50K. Uma solução que está sendo estudada é usar o próprio propelente, o hidrogênio líquido, para resfriar os materiais supercondutores. No caminho entre o tanque armazenador e a entrada do reator, faz-se o hidrogênio passar por entre os materiais supercondutores, mantendo-os à temperatura adequada. Cálculos realizados pelos cientistas de Los Alamos, prevêem um impulso específico entre 3000 e 5000s para este sistema propulsivo. Durante a realização desta pesquisa, obtivemos a informação de que pelo menos 5 diferentes códigos haviam sido criados para modelar a dinâmica de formação do vórtice e a estabilidade em uma geometria cilíndrica regular. A partir destes programas, os cientistas concluíram que[5]: Fluxo de massa gasosa através da base do cilindro pode alterar a localização do vórtice, permitindo um controle ativo. No entanto, se uma massa muito grande for injetada, o vórtice é destruído, A força do vórtice, a vorticidade, depende quase totalmente da velocidade de injeção de massa gasosa no reator, Para condições com alto nível de vorticidade, não foi observada a destruição ou dispersão do vórtice, Injeção de combustível comprimido e subseqüente evaporação parece ser uma medida viável tanto para ligar quanto para alimentar o reator, Aspirar o combustível através da base do cilindro mostra-se ser uma medida viável para desligar o reator,

5 A difusão do combustível através do volume de propelente parece ocorrer rapidamente para a geometria cilíndrica. Portanto, a retenção do combustível é baixa. Figura 2: Concepção artística do motor propulsor de núcleo gasoso. Hidrogênio líquido é ejetado à esquerda (em azul) e expelido à direita (em amarelo). Parte do gás recircula num vortex toroidal, mantendo a pressão interna constante. Como resultado desses estudos, os cientistas concluíram que uma configuração cilíndrica não seria passível de ser ajustada ao tamanho do foguete. Se uma configuração dessas fosse usada, teria de se ter uma injeção de massa de cerca de 2 a 6 kg/s que, para uma injeção anular com um raio de 0,75 a 1,0m, resultaria numa configuração do vórtice muito estreita, inapropriada. Como conseqüência, teria-se uma faixa de hidrogênio muito estreita entre o urânio e a parede do reator. Essa faixa estreita de hidrogênio seria praticamente transparente à radiação, tendo como conseqüência um aquecimento muito forte do reator e um aquecimento baixo do propelente[5]. Apesar deste projeto não estar em um nível tão avançado nas pesquisas quanto o de propulsão nuclear com núcleo sólido, acredito que um aprofundamento no estudo da dinâmica do motor nuclear de núcleo gasoso será muito válido, pois é uma variante mais eficiente e moderna do modelo de propulsão para foguetes baseado na energia nuclear. Estimativas apontam que o ISP de um motor como este possa chegar a mais de 3000s. A título de comparação, com a propulsão química, calcula-se que uma viagem tripulada de ida e volta à Marte deva durar em torno de 430 dias. Se fosse implementado um motor de propulsão nuclear de núcleo gasoso, este tempo cairia para menos de nove meses, sendo que três destes, seriam destinados à exploração de Marte [5]. As vantagens dos sistemas de propulsão nuclear não estão restritas somente à eficiência e à redução do tempo de viagem. Economicamente, estes sistemas prometem trazer com eles uma revolução de impacto semelhante à Revolução Industrial [9]. Com o intuito de iniciar o estudo deste impacto, explicitamos abaixo alguns resultados obtidos a cerca do custo atual para se colocar uma massa em órbita e de projeções deste custo caso o sistema propulsivo nuclear de núcleo sólido fosse implementado. 4.0 IMPACTO ECONÔMICO DO SUCESSO DA IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA PROPULSOR NUCLEAR

6 ξ A conquista do espaço não é buscada apenas pela glória ou pela curiosidade de se saber o que há em outros planetas. Economicamente falando, o espaço não é somente a próxima fronteira, mas é principalmente o próximo grande mercado. O que impede a exploração deste mercado é a falta de um meio barato de se chegar até ele. Atualmente, nos EUA, o lançamento orbital custa para a NASA em torno de U$ 4 bilhões por ano. A política de defesa, outros U$ 1,5 bilhão. Os gastos com a demanda comercial ao redor do globo para se colocar satélites em órbita, giram em torno de U$ 3,5 bilhões [4]. Desta forma, os gastos totais pelos serviços de lançamento são de aproximadamente U$ 9 bilhões. O potencial de crescimento desta demanda para o futuro é enorme. Para atender a este esperado crescimento, faz-se necessário a implementação de meios mais baratos para se chegar ao espaço, ou, caso contrário, haverá uma explosão nos preços de lançamento e conseqüente retração do mercado e da economia mundial. A NASA tem despendido bastantes recursos financeiros e humanos na tentativa de diminuir o custo de lançamento. Até agora, todas as tentativas têm sido frustradas. A alternativa plausível é substituir os sistemas propulsores atuais por algum outro com ISP (Impulso específico) superior a 1000s. Figura 3: Gráfico do mínimo custo por libra possível (K) para se colocar um foguete em órbita versus impulso específico. Estão plotados diferentes valores de custo por libra de carga útil. Repare a comparação entre o custo por libra de um foguete Delta II [2] e o custo que seria, caso dispuséssemos de um propulsor nuclear de ISP aproximadamente 800s. Estimativas apontam que para evitar uma retração econômica, o custo associado ao lançamento de um foguete tem de estar em torno de U$ 500,00 por libra de carga útil colocada em órbita [10]. Atualmente, este valor situa-se na casa dos U$ 4000,00, para um foguete TITAN IV [3]. Denotando por o valor do custo por libra de carga útil colocada em órbita, o capital que deverá ser investido no lançamento dependerá da massa da carga útil, mais a massa do próprio

7 ξ foguete. Sendo K o mínimo custo possível por libra colocada em órbita permitido para um foguete, K será uma função de e do ISP. Os resultados de cálculos realizados em meados de 2001 [4], estão plotados na figura 3. Podemos observar que para um K = U$ 108/lb, o ISP de um foguete nuclear precisa ser de apenas 800s, se o que se almeja é um preço de U$500,00/ lb de carga útil. Mas os testes de 1960 indicaram ISP superiores a 860s para propulsores a núcleo sólido. Com o desenvolvimento na tecnologia dos materiais, estimativas mais recentes apontam que tais motores podem chegar a ter ISP entre 900 e 1000s. CONCLUSÃO O curto período de tempo em que foram realizadas pesquisas em torno do desenvolvimento de sistemas propulsores nucleares provou, a partir de testes [9], que se trata de uma tecnologia ao alcance da humanidade. A demanda do mercado global de satélites e a possibilidade de transformar o espaço em um mercado de bilhões, são motivos bastante persuasivos para se investir em pesquisas deste gênero. E isto não deveria ficar restrito somente ao governo de países desenvolvidos, como EUA. É da minha opinião que o Brasil deveria começar a investir em pesquisas neste ramo, ao invés de ficar apostando todas as fichas em um programa espacial cuja tecnologia já é ultrapassada. A capacidade de se colocar satélites em órbita, seja através de propulsão química, seja através de outro tipo de propulsão, é condição necessária para adentrarmos no novo mercado que se está abrindo. Mas focar as pesquisas unicamente na propulsão química é pensar somente no presente e ignorar as projeções do futuro. Os modelos de propulsores nucleares a núcleo sólido são os candidatos mais propícios a serem os primeiros a ganharem uma configuração estável e substituir os atuais motores químicos [4]. A redução nos custos de lançamento em órbita na utilização destes sistemas pode ser visto na figura 3. O impacto que a redução nestes preços trariam são de difícil projeção, mas pode-se inferir que serão de proporções colossais [9]. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Aviation Week and Space Technology Source Book 2. Delta II WEB site: 3. Titan IV WEB site: 4. Dr. Steven D. Howe - High Energy Density Propulsion Reducing the Risk to Humans in Planetary Exploration. 5.Dr. Steven D. Howe, B. DeVolder, L. Thode, and D. Zerkle. Reducing the Risk to Mars: The Gas Core Nuclear Rocket.

8 6. John D. Cinnamon Nuclear Thermal Rocket Propulsion, Designs Issues and Concepts -Primavera Bruce Behrhorst La Propulsion Nucléaire Spatiale. 8. Sümer Sahin, Haci Mehmet Sahin, Adnan Sözen - Evaluation of the Neutron and Gamma-Ray Heating in the Radiation Shielding and Magnet Coils of the VISTA Spacecraft Fusion Science and Technology Journal - Julho de 1998 Volume Dr. Steven D. Howe, Bryan Travis, and David K. Zerkle Safe Testing Nuclear Rockets Economically. 10. Dr. Steven D. Howe Assessment of the Advantages and Feasibility of a Nuclear Rocket for a Manned Mars Mission.