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 a publicação “Vozes dos Especialistas” do Space.com: Op-Ed & Insights. O projeto que ele descreve é financiado pelo Laboratório Los Alamos de Pesquisa e Desenvolvimento Direcionado.
No filme “Gravidade” de 2013, o lixo espacial quase matou Sandra Bullock. Enquanto essa história era definitivamente ficção (e ficção sensacional nisso), 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 inteiramente focada em detritos orbitais.
Há uma boa razão para se preocupar. Atualmente, cerca de 2.000 satélites operacionais orbitam a Terra – para não mencionar outros 3.000 não operacionais – e espera-se que esse número dispare. Este ano, mais de 1.500 satélites estão programados para lançamento. (Compare isto com 2018, quando apenas 365 foram lançados.)
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Espaço pode ser grande, mas está a ficar cada vez mais lotado, e isso é um problema real. A órbita baixa da Terra, ou LEO, onde a maioria dos satélites viaja, é um recurso natural. E, tal como outros recursos naturais, precisamos de o gerir cuidadosamente. Basta que alguns satélites colidam para estimular o efeito Kessler: uma reação em cadeia fugitiva onde mais detritos resultam em mais colisões, o que poderia não só danificar ou destruir praticamente todas as naves espaciais em LEO, mas tornar essa parte do espaço inútil por décadas.
Mas e se você pudesse manobrar os satélites em rota de colisão fora do caminho do perigo? Acredite ou não, isso não é fácil de fazer. A maioria dos satélites enviados para LEO – particularmente os pequenos satélites e cubesats – não têm sistemas de propulsão porque tendem a ser pesados e caros. Eles também representam um risco adicional para o foguete que está a transportar o satélite para o espaço, bem como qualquer outra carga útil que esteja a apanhar boleia. Isso porque o sistema de propulsão de foguetes mais comum usa combustível líquido de foguetes, que é extremamente volátil. Se você for um pequeno cubo a andar de caçadeira em um foguete multimilionário e seu sistema de propulsão inconstante explodir durante o lançamento ou na viagem ao espaço sideral, você terminou toda a missão. Falando de um dia mau.
A solução mais fácil é usar combustível sólido de foguetão em vez disso. É de alta pressão, muito mais seguro e de baixo custo, além de poder ser armazenado por períodos de tempo extremamente longos. Mas o combustível sólido para foguetes tem um grande inconveniente: Não pode ser parado e reiniciado. Uma vez acendido, tem uma queimadura. É isso mesmo. E isso é um problema para evitar detritos. Para evitar a colisão mudando de órbita, você precisa de pelo menos duas queimaduras independentes: uma para tirá-lo rapidamente do caminho, e outra para colocá-lo de volta em sua órbita correta. Para desorbitrar o satélite, você provavelmente precisará de várias queimaduras também.
No Laboratório Nacional de Los Alamos, estamos trabalhando para mudar isso. Recentemente desenvolvemos e demonstramos a capacidade de parar e reiniciar motores de foguetes 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 propulsor, e um bocal de escape. Recentemente desenvolvemos um sistema de propulsão mais seguro com combustível sólido separado e oxidante sólido. No entanto, para tornar nosso sistema de foguete sólido capaz de parar e reiniciar, precisávamos desenvolver um sistema de ignição reutilizável e uma forma de apagar uma queimadura.
Para a ignição, substituímos a pirotecnia tradicional por água. Com o nosso sistema, um satélite seria lançado com um pequeno tanque de água benigna. Uma vez em órbita e pouco antes de uma queimadura, um eletrólise separaria a água em hidrogênio e gases de oxigênio. No momento da ignição, o hidrogênio e o oxigênio seriam rapidamente injetados na câmara de combustão e iluminados por uma faísca. A chama resultante inflamaria o propulsor sólido.
O próximo desafio era descobrir como extinguir a queimadura. Há muito se entendeu que uma descompressão rápida da câmara pode causar de forma confiável a extinção de um foguete sólido – mas qual a melhor maneira de fazer isso? No ano passado, desenvolvemos um bocal aerospike com uma área de asfixia variável. Uma vez que a queimadura tenha alcançado uma mudança de velocidade desejada, a área de asfixia seria aberta, descomprimindo a câmara e extinguindo a queimadura. Quando outra queimadura do foguetão é necessária, a área do estrangulador é reajustada para a sua posição original. Repita conforme necessário.
Demonstramos recentemente várias queimaduras independentes de um único foguete sólido em bancos de ensaio estáticos 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.
Estamos também procurando desenvolver uma carga útil que esteja isolada do satélite principal e que contenha sua própria energia, tenha comunicações de baixa largura de banda com o solo, tenha controle de atitude para estabelecer apontamento para uma queimadura e esteja equipada com nosso sistema de foguete sólido. Com esta carga útil, evitar detritos e deorbitar poderia possivelmente ser realizado muitos anos após o satélite ter atingido o fim de vida útil.
Os foguetes sólidos não são a resposta a todos os potenciais desafios para resolver o problema do lixo espacial – mas a sua simplicidade, facilidade de escalada para o tamanho da nave espacial, alto impulso e agora múltiplos impulsos independentes fazem deles um grande candidato para evitar detritos orbitais e deorbitar. A nossa esperança é que um dia, estes foguetões andem a bordo de cada satélite lançado para o espaço – mantendo o LEO seguro e utilizável durante milénios.
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