NASA SR-1 Freedom: Construindo a Primeira Nave Espacial Nuclear

Mover um objeto no espaço consome muita energia, mesmo depois que uma espaçonave escapou do poço gravitacional de um planeta. Isso se deve, em parte, ao fato de a distância entre os objetos celestes ser tão enorme.

Por exemplo, se a distância da Lua à Terra fosse apenas 0,25 metros, a distância entre Marte e a Terra seria 500 metros, e até Netuno 30.000 metros.

Portanto, quanto mais pesada a espaçonave, mais energia é necessária para mover essa massa a uma velocidade suficiente para atravessar essa enorme distância. E então a mesma energia é necessária novamente para desacelerar.

Outra limitação da exploração do espaço profundo e do voo interplanetário é que, para criar propulsão, alguma massa precisa ser ejetada. Mas quanto mais combustível, mais peso morto, o que requer ainda mais energia para a propulsão. Assim, para uma forte aceleração, o combustível ejetado precisa ser expulso a uma velocidade muito alta, criando um maior impulso, e a fonte de energia precisa ser o mais densa possível.

Por todas essas razões, a ideia de usar energia nuclear para viagens espaciais é tão antiga quanto o início da geração de energia nuclear, já que o urânio é um dos “combustíveis” mais densos imagináveis, com um quilo de urânio gerando potencialmente até 23 milhões de kWh, comparado a 13 kWh para 1 kg de petróleo e 7 kWh para 1 kg de carvão.

Fonte: Visual Capitalist

No entanto, nenhum dos projetos imaginados para propulsão de viagens espaciais foi utilizado até agora. O único uso relativamente comum de energia nuclear são os geradores radiotérmicos, que utilizam o decaimento passivo de elementos radioativos com meia-vida relativamente curta para alimentar rovers e sondas no espaço profundo por anos ou até décadas.

Isso pode mudar muito em breve, com um reator espacial chamado SR-1 Freedom, sendo SR a abreviação de “Space Reactor” (Reator Espacial).

Este sistema de propulsão nuclear elétrica pode ser implantado já em 2028. Ele será usado para levar a Marte a carga útil Skyfall, composta por três helicópteros da classe Ingenuity. Será usado principalmente para demonstrar a tecnologia, mas no tamanho planejado, não será significativamente mais rápido que uma sonda convencional.

“Os helicópteros Skyfall levarão câmeras e radar de penetração no solo para explorar um futuro local de pouso, a fim de entender as inclinações e perigos para veículos de escala humana. Eles também mapearão e caracterizarão o gelo de água subsuperficial para descobrir onde estão os depósitos de gelo, bem como o tamanho, profundidade e outras características importantes.”
Steve Sinacore, executivo do programa de energia de superfície por fissão na NASA

Isso faz parte de uma redefinição maior dos programas da NASA, que inclui o provável cancelamento completo da estação espacial Lunar Gateway, a reorganização da missão Artemis e um desenvolvimento mais ambicioso para a futura base lunar, logo após o lançamento bem-sucedido da Artemis II, que pela primeira vez em mais de 50 anos levará astronautas à órbita da Lua.

Os Muitos Tipos de Propulsão Nuclear Espacial

Propulsão Nuclear Elétrica

O sistema de propulsão nuclear do SR-1 Freedom é nuclear elétrico, portanto primeiro usa um reator nuclear para produzir eletricidade, e essa energia é então usada para gerar empuxo pelos motores da espaçonave.

Para converter eletricidade em empuxo, e assim em movimento útil, o método mais comumente usado, e o utilizado pelo SR-1 Freedom, são os propulsores iônicos. No caso dos propulsores de efeito Hall do SR-1.

Esses propulsores ionizam um gás com eletricidade, essencialmente “carregando” em energia o gás usado como combustível, geralmente xenônio ou criptônio. Esses reatores têm uma eficiência muito alta de 45‑60 % e alto impulso específico, o que significa que menos massa de combustível é necessária para o mesmo efeito de propulsão.

No entanto, os propulsores iônicos são relativamente fracos individualmente, portanto são mais adequados para viagens de longa distância, onde uma aceleração lenta e constante pode acumular‑se em alta velocidade.

Até agora, os propulsores iônicos foram usados, mas são limitados pela energia fornecida pelos painéis solares da sonda. Com uma fonte de energia nuclear, muito mais empuxo e aceleração podem ser gerados.

De longe, esta é a versão mais madura da propulsão nuclear, já que tanto a geração de energia nuclear quanto os propulsores iônicos são tecnologias bem dominadas. Portanto, basta questão de design e engenharia para fazê‑los funcionar juntos, daí o curto prazo para o lançamento do SR‑1.

Propulsão Nuclear Térmica

Os reatores nucleares geram energia convertendo a radioatividade em calor e depois transformando esse calor em eletricidade.

Assim, esse método de propulsão elimina o intermediário e usa diretamente o calor. A ideia é usar energia nuclear para superaquecer um combustível, geralmente hidrogênio líquido, e impulsionar o gás quente para gerar movimento.

Essa ideia poderia, em teoria, gerar uma capacidade de propulsão massiva. Na prática, requer muita energia nuclear de uma só vez e muito combustível, o que significa que é aplicável principalmente a espaçonaves massivas, muito maiores que as sondas interplanetárias habituais ou mesmo um foguete superpesado como o Starship.

Outros Sistemas de Propulsão Nuclear

A densidade energética da energia nuclear criou conceitos ainda mais ousados.

Por exemplo, Projeto Orion, seriamente discutido nas décadas de 1950 e 1960, estava no coração da Guerra Fria. Ele previa uma série de explosões nucleares como principal meio de propulsão, com a espaçonave protegida da radiação e dos danos por um escudo massivo, conceito conhecido como propulsão por pulso nuclear.

Outras ideias, como foguetes de fragmentos de fissão ou foguetes de reator de núcleo gasoso, consideram expulsar o próprio combustível nuclear como material propulsor.

No entanto, essas ideias são mais teóricas do que práticas na maioria dos casos, em grande parte porque a escala das espaçonaves que exigiriam está simplesmente fora de alcance no futuro previsível.

Por que a Propulsão Nuclear Ainda Não Aconteceu?

Geopolítica

Em parte, a razão pela qual a propulsão nuclear nunca aconteceu é que simplesmente não era necessária. Após as múltiplas aterrissagens na Lua, a corrida espacial entre a URSS e os EUA esfriou.

E com o colapso da URSS, a ambição por espaçonaves cada vez maiores ou bases fora da Terra desapareceu por várias décadas.

Para exploração longe do Sol, os geradores radiotérmicos eram suficientes. Portanto, a propulsão nuclear simplesmente não é necessária para voos tripulados, além da ISS, e para enviar pequenas sondas a Marte ou mais longe no espaço.

No entanto, a ascensão da China como uma potência espacial muito séria desencadeou uma nova corrida espacial para a Lua e Marte. Isso pode explicar o renascimento dos projetos americanos de propulsão nuclear, já que a propulsão nuclear provavelmente será necessária para qualquer voo tripulado sério a Marte ou além.

Política e Imagem Nuclear

A imagem da energia nuclear também foi prejudicada por acidentes como Chernobyl e Fukushima, levando à ideia de enviar um reator nuclear ao espaço, de qualquer tamanho, ser impopular. Sem um forte apoio político, esses programas não tiveram o impulso necessário para passar de protótipos e testes para espaçonaves reais.

Além disso, o Tratado do Espaço Exterior de 1967 e o Tratado de Proibição Parcial de Testes de 1963 mataram conceitos de propulsão nuclear como o Projeto Orion.

Por fim, lançar material ao espaço é sempre um projeto arriscado, com foguetes correndo risco de falhar e explodir a caminho da órbita.

Nesse caso, material radioativo poderia se dispersar por uma ampla área, e mesmo que a quantidade real seja mínima, o desastre associado ao POR fez a NASA relutante em assumir o risco sem um forte impulso da liderança política dos EUA.

Problemas Técnicos

Reatores nucleares, especialmente entre as décadas de 1950‑1990, eram peças massivas de equipamento. Esse tipo de reator nuclear é bastante difícil, ou até impossível, de usar no espaço, onde cada grama conta. O peso adicional do escudo contra a radiação do reator adiciona mais massa.

Isso não é tão verdade na era dos SMRs (Reatores Modulares Pequenos) e microreatores, mas essas tecnologias são desenvolvimentos relativamente novos.

A fragilização causada por nêutrons atingindo os materiais circundantes pode causar fissuras ou outros danos em materiais aeroespaciais. Portanto, isso também precisou ser melhor compreendido e mitigado.

Os foguetes nucleares térmicos também são vulneráveis à corrosão por hidrogênio, já que o hidrogênio se torna extremamente agressivo, corroendo o reator e os componentes de propulsão nas temperaturas previstas de 2.200°C (4.000°F).

Design do SR-1 Freedom

Um Reator de Energia e Muitas Primeiras

O SR-1 Freedom será baseado em um reator de fissão de ciclo Brayton fechado de 20‑40 kWe, reactor de ciclo Brayton fechado, um design que combina uma fonte de calor nuclear com um sistema de conversão de energia a turbina a gás em um circuito selado. O calor residual é então evacuado para o espaço através de grandes radiadores de titânio.

Fonte: CNET

O reator será alimentado por urânio de baixo enriquecimento de alto teor (HALEU), usando combustível de dióxido de urânio, que é mais seguro de manusear que combustível de grau militar.

Para proteger a eletrônica (e futuros astronautas) da radiação do reator, ele está encapsulado em um escudo de radiação de carbeto de boro que direciona a radiação para longe da espaçonave.

O SR-1 não é de forma alguma o primeiro protótipo ou conceito de propulsão nuclear, mas será o primeiro a deixar o laboratório e alcançar o espaço, construído sobre décadas de experiência e investimento no campo.

“Durante seis décadas, os Estados Unidos investiram mais de US$ 20 bilhões em dezenas de programas nucleares espaciais e lançaram exatamente um reator — o SNAP‑10A, em 1965. Ele nunca deixou a órbita. Bilhões gastos, décadas perdidas. O SR‑1 põe fim a esse padrão. Uma janela de lançamento para Marte em dezembro de 2028 força decisões que décadas de estudo nunca fizeram.”
Jared Isaacman – Administrador da NASA

Reutilizando Módulos do Lunar Gateway

Outro elemento que explica como o rápido implante do SR-1 é possível é que a parte de propulsores iônicos da espaçonave está pronta.

O sistema de propulsão usado será o ônibus espacial quase construído, desenvolvido pela NASA, o Power and Propulsion Element (PPE), inicialmente desenvolvido para o Lunar Gateway.

Como a estação espacial lunar está aparentemente sendo descartada, seus elementos, majoritariamente construídos pelos parceiros da NASA na Europa, Japão, Coreia do Sul, Canadá e outros, serão reaproveitados em projetos como o SR-1, alinhando melhor com as novas ambições espaciais da NASA e dos EUA.

“Cada ativo, cada quilograma, todos os recursos de exploração lunar que temos serão focados em uma coisa, e essa é construir a base lunar,”
Carlos Garcia-Galan – gerente adjunto do Programa Gateway

O PPE está equipado com quatro propulsores de efeito Hall de 6 kW construídos pela Busek e três propulsores de efeito Hall Advanced Electric Propulsion System de 12 kW desenvolvidos pela NASA e Aerojet Rocketdyne , uma subsidiária da L3Harris (LHX ).

Os painéis solares de alto desempenho do PPE também serão mantidos, caso o reator nuclear experimental precise de manutenção ou apresente algum problema.

Além do SR-1

Rumo a Mais Energia Nuclear no Espaço

O objetivo do SR-1 é proporcionar um teste em condições reais do design do reator nuclear, tanto para propulsão quanto para outros usos.

Assim, isso provavelmente será usado um dia para um voo tripulado a Marte, mas também terá aplicações mais imediatas.

Por exemplo, os dados coletados do voo do SR-1 Freedom a Marte serão importantes para o desenvolvimento do Lunar Reactor‑1 (LR‑1).

“Na década de 2030, vamos escalar e avançar para a produção” de reatores adicionais. Estamos falando de reatores de centenas de quilowatts a classe megawatt para todas as aplicações nucleares. Missões de maior potência para a Lua, missões humanas a Marte, com participação comercial e produção repetível.”
Steve Sinacore, executivo do programa de energia de superfície por fissão na NASA

Este reator de fissão será projetado para fornecer energia contínua a uma base lunar durante períodos sem luz solar, e também usará uma unidade de conversão de energia de ciclo Brayton fechado.

“O programa de energia de superfície por fissão está programado para entregar algo na fase três para mais capacidade, e talvez mais de um item, para a capacidade que esperamos precisar para a base lunar. Qualquer coisa que possamos fazer para não depender necessariamente da energia solar e permitir que os ativos recebam aquecimento e talvez alguma energia será valiosa para nossa capacidade de avançar.”
Carlos Garcia-Galan – gerente adjunto do Programa Gateway

Ainda assim, a longo prazo, o legado mais importante do SR-1 provavelmente será a possibilidade de voo nuclear tripulado a Marte, levando 4 meses ou menos, comparado aos 9 meses ou mais possíveis com foguetes químicos.

Sistemas Futuramente de Propulsão Nuclear

Inicialmente planejado para 2027, o DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), um motor de foguete térmico, foi cancelado em 2025, pois considerou‑se que foguetes como o Starship da SpaceX (SPCX ) são suficientemente bons para viagens orbitais e cis‑lunares.

Ainda assim, essa tecnologia poderia potencialmente reduzir o tempo de viagem a Marte pela metade, similar ao legado potencial do SR‑1.

A longo prazo, se a propulsão nuclear elétrica se tornar normalizada, outras formas de propulsão nuclear também podem se tornar viáveis.

Outra possibilidade é que sistemas de propulsão tipo SR‑1 sejam instalados em uma nave de carga, capaz de ir e voltar à Lua ou Marte e acelerar outras espaçonaves, precisando apenas de reabastecimento ocasional de propelente gasoso ou combustível radioativo. Dessa forma, o mesmo sistema poderia fornecer propulsão para dezenas de missões de espaço profundo.

Nesse conceito, a propulsão nuclear elétrica ou térmica poderia alcançar para a exploração do espaço profundo o que a SpaceX fez para lançamentos orbitais: criar veículos reutilizáveis e duradouros que tanto reduzem custos quanto tornam as viagens espaciais muito mais eficientes, permitindo mover massas de carga muito maiores.

Investindo no SR-12 Freedom

L3Harris

L3Harris é um importante fornecedor aeroespacial e empresa de defesa, resultado da fusão da L3 Technologies e da Harris Corporation em 2019.

A empresa não apenas fornece os propulsores de efeito Hall para o SR‑1, mas também está diretamente envolvida no desenvolvimento do programa de energia de superfície por fissão, que entregará energia nuclear à futura base lunar americana.

“A propulsão nuclear pode alimentar a exploração até os limites mais distantes do sistema solar e além, melhorar a segurança nacional e possibilitar descobertas revolucionárias. A manobrabilidade no espaço tem sido há muito tempo um fator limitante para as explorações robóticas mais ambiciosas e outras aplicações governamentais únicas, e a L3Harris está comprometida em remover essa restrição.”
Kristin Houston, presidente, Sistemas de Propulsão e Energia Espacial, Aerojet Rocketdyne, L3Harris.

Seu sistema de propulsão elétrica também foi usado pela missão Dawn da NASA para os asteroides do cinturão principal Ceres e Vesta.

A empresa também está explorando a Propulsão Nuclear Térmica (NTP), baseando‑se em sua nova experiência com propulsão nuclear elétrica e sua experiência muito mais consolidada com geradores termoelétricos radioisótopos, pois forneceu a fonte de energia tanto para o rover Curiosity quanto para o rover Perseverance em Marte.

No entanto, o espaço é apenas um segmento da atividade da empresa.

Seu negócio principal está em fornecer ao exército dos EUA e seus aliados comunicações seguras (metade do mercado global de rádio tático), centros de comando, radar e planos de comunicação, guerra eletrônica, satélites para detecção de lançamentos de mísseis, etc.

A Aerodyne, empresa que fornece ao SR‑1 seus sistemas de propulsão, também é grande produtora de mísseis, incluindo munição para sistemas de defesa antimíssil, cujo estoque tem sido muito pressionado pelas guerras na Ucrânia e Irã.

Em geral, o crescimento planejado do orçamento militar dos EUA de US$ 1 trilhão para US$ 1,5 trilhão provavelmente elevará todas as opções para investidores no setor de defesa, especialmente porque a guerra na Ucrânia esgotou o estoque e o conflito com o Irã revelou a necessidade de mais munição e defesa antimíssil.

É essa última revelação da evolução na estratégia militar que pode beneficiar mais a L3Harris. Se a Ucrânia revelou a importância de drones e guerra eletrônica, o conflito com o Irã destacou a importância das defesas antimíssil. E, acima de tudo, a importância de um grande estoque de mísseis interceptores, já que cada míssil entrante consome 2‑3 interceptores.

Além disso, a renovada ambição da NASA também deve beneficiar a empresa como fornecedora principal de propulsores iônicos e energia nuclear espacial.

(Você pode ler mais sobre as atividades aeroespaciais e de defesa da L3Harris em nosso relatório de investimento dedicado à empresa.)

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