Tecnologias transversais foram propostas, as quais poupam combustível e proporcionam viagens significativamente mais rápidas do que a metodologia tradicional de utilização de transferências Hohmann. Algumas ainda são apenas teóricas, mas ao longo do tempo, várias das abordagens teóricas têm sido testadas em missões de voos espaciais. Por exemplo, a missão Deep Space 1 foi um teste bem sucedido de uma condução de iões. Estas tecnologias melhoradas tipicamente focam em uma ou mais de:

• Sistemas de propulsão espacial com muito melhor economia de combustível. Tais sistemas tornariam possível viajar muito mais rápido mantendo o custo do combustível dentro de limites aceitáveis.
• Usar energia solar e utilização de recursos in-situ para evitar ou minimizar a cara tarefa de transportar componentes e combustível da superfície da Terra, contra a gravidade da Terra (ver “Usando recursos não terrestres”, abaixo).
• Métodos novos de utilização de energia em locais diferentes ou de formas diferentes que podem reduzir o tempo de transporte ou reduzir o custo por unidade de massa de transporte espacial

Besides tornando as viagens mais rápidas ou menos dispendiosas, tais melhorias também poderiam permitir maiores “margens de segurança” de design, reduzindo o imperativo de tornar as naves espaciais mais leves.

Conceitos melhorados de foguetesEditar

Todos os conceitos de foguetes são limitados pela equação do foguete, que define a velocidade característica disponível em função da velocidade de escape e relação de massa, da massa inicial (M0, incluindo o combustível) para a massa final (M1, combustível esgotado). A principal consequência é que velocidades de missão de mais de algumas vezes a velocidade do escape do motor do foguete (em relação ao veículo) rapidamente se tornam impraticáveis.

Foguetes térmicos nucleares e solaresEditar

Num foguete térmico nuclear ou solar um fluido de trabalho, geralmente hidrogénio, é aquecido a uma temperatura elevada, e depois expande-se através de um bocal de foguete para criar impulso. A energia substitui a energia química dos produtos químicos reactivos num motor de foguetão tradicional. Devido à baixa massa molecular e, portanto, à alta velocidade térmica do hidrogênio, esses motores são pelo menos duas vezes mais eficientes no consumo de combustível que os motores químicos, mesmo depois de incluir o peso do reator.

A Comissão de Energia Atômica dos EUA e a NASA testaram alguns projetos de 1959 a 1968. Os projetos da NASA foram concebidos como substitutos dos estágios superiores do veículo de lançamento Saturn V, mas os testes revelaram problemas de confiabilidade, causados principalmente pelas vibrações e aquecimento envolvidos no funcionamento dos motores com níveis de impulso tão elevados. Considerações políticas e ambientais tornam improvável que tal motor seja utilizado num futuro previsível, uma vez que os foguetes térmicos nucleares seriam mais úteis na superfície da Terra ou perto dela e as consequências de um mau funcionamento poderiam ser desastrosas. Os conceitos de foguetes térmicos baseados em fissão produzem velocidades de escape mais baixas do que os conceitos elétricos e de plasma descritos abaixo, e são, portanto, soluções menos atraentes. Para aplicações que requerem alta relação impulso/peso, tais como fuga planetária, a térmica nuclear é potencialmente mais atraente.

Propulsão elétricaEditar

Sistemas de propulsão elétrica utilizam uma fonte externa como um reator nuclear ou células solares para gerar eletricidade, que é então usada para acelerar um propulsor quimicamente inerte a velocidades muito superiores às alcançadas em um foguete químico. Tais propulsores produzem um impulso fraco e, portanto, são inadequados para manobras rápidas ou para lançamentos a partir da superfície de um planeta. Mas são tão econômicos em seu uso de massa de reação que podem continuar a disparar continuamente por dias ou semanas, enquanto foguetes químicos usam a massa de reação tão rapidamente que só podem disparar por segundos ou minutos. Mesmo uma viagem à Lua é suficientemente longa para um sistema de propulsão elétrica superar um foguete químico – as missões Apollo levaram 3 dias em cada direção.

NASA’s Deep Space One foi um teste muito bem sucedido de um protótipo de acionamento iônico, que disparou por um total de 678 dias e permitiu que a sonda atingisse o Comet Borrelly, um feito que teria sido impossível para um foguete químico. Dawn, a primeira missão operacional da NASA (ou seja, demonstração não tecnológica) a usar um drive de íons para sua propulsão primária, orbitou com sucesso os grandes asteróides de correia principal 1 Ceres e 4 Vesta. Uma versão mais ambiciosa, com propulsão nuclear, foi destinada a uma missão Júpiter sem tripulação humana, a Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), originalmente planejada para lançamento em algum momento da próxima década. Devido a uma mudança nas prioridades da NASA que favoreceu as missões espaciais tripuladas por humanos, o projeto perdeu financiamento em 2005. Uma missão similar está atualmente em discussão como o componente americano de um programa conjunto NASA/ESA para a exploração da Europa e Ganymede.

Uma Equipe de Avaliação de Aplicações Tecnológicas multi-centro da NASA liderada pelo Centro de Voos Espaciais Johnson, tem a partir de janeiro de 2011 descrito “Nautilus-X”, um estudo conceptual para um veículo de exploração espacial multi-missão útil para missões além da baixa órbita terrestre (LEO), de até 24 meses de duração para uma tripulação de até seis tripulantes. Embora o Nautilus-X seja adaptável a uma variedade de unidades de propulsão específicas de várias missões de baixo impulso e alto impulso específico (Isp), o acionamento íon-elétrico nuclear é mostrado para fins ilustrativos. Destina-se à integração e checkout na Estação Espacial Internacional (ISS), e seria adequado para missões no espaço profundo da ISS para e além da Lua, incluindo Terra/Lua L1, Sol/Terra L2, asteróides próximos da Terra e destinos orbitais de Marte. Incorpora uma centrífuga de gravidade reduzida que proporciona gravidade artificial para a saúde da tripulação para melhorar os efeitos da exposição a 0g a longo prazo, e a capacidade de mitigar o ambiente de radiação espacial.

Foguetes alimentados por fissãoEditar

As missões de propulsão eléctrica já voadas, ou actualmente programadas, utilizaram energia eléctrica solar, limitando a sua capacidade de operar longe do Sol, e também limitando a sua aceleração de pico devido à massa da fonte de energia eléctrica. Motores nucleares-elétricos ou de plasma, operando por longos períodos com baixo impulso e movidos por reatores de fissão, podem atingir velocidades muito maiores do que os veículos movidos quimicamente.

Foguetes de fusãoEditar

Foguetes de fusão, movidos por reações de fusão nuclear, “queimariam” combustíveis de elementos leves como deutério, trítio, ou 3He. Como a fusão produz cerca de 1% da massa do combustível nuclear como energia liberada, ela é energeticamente mais favorável do que a fissão, que libera apenas cerca de 0,1% da massa de energia do combustível. Entretanto, tanto a fissão quanto as tecnologias de fusão podem, em princípio, atingir velocidades muito superiores às necessárias para a exploração do Sistema Solar, e a energia de fusão ainda aguarda demonstração prática na Terra.

Uma proposta usando um foguete de fusão foi o Projeto Daedalus. Outro sistema de veículo bastante detalhado, concebido e optimizado para a exploração do Sistema Solar pela tripulação, “Discovery II”, baseado na reacção D3He mas utilizando hidrogénio como massa de reacção, foi descrito por uma equipa do Glenn Research Center da NASA. Atinge velocidades características de >300 km/s com uma aceleração de ~1,7-10-3 g, com uma massa inicial da nave de ~1700 toneladas métricas, e fração de carga útil acima de 10%.

Propulsão ExóticaEditar

Veja o artigo sobre propulsão de naves espaciais para uma discussão de uma série de outras tecnologias que poderiam, a médio e longo prazo, ser a base de missões interplanetárias. Ao contrário da situação com viagens interestelares, as barreiras para viagens interplanetárias rápidas envolvem engenharia e economia ao invés de qualquer física básica.

Velas solaresEdit

Velas solares dependem do fato de que a luz refletida de uma superfície exerce pressão sobre a superfície. A pressão da radiação é pequena e diminui pelo quadrado da distância do Sol, mas ao contrário dos foguetes, as velas solares não necessitam de combustível. Embora o impulso seja pequeno, ele continua enquanto o Sol brilha e a vela é lançada.

O conceito original dependia apenas da radiação do Sol – por exemplo, na história “Sunjammer” de Arthur C. Clarke de 1965. Projetos mais recentes de velas leves propõem aumentar o impulso, apontando lasers terrestres ou masers para a vela. Os lasers terrestres ou masers também podem ajudar uma nave espacial de vela leve a desacelerar: a vela se divide em uma seção externa e interna, a seção externa é empurrada para frente e sua forma é alterada mecanicamente para focar a radiação refletida na parte interna, e a radiação focada na seção interna atua como um freio.

Embora a maioria dos artigos sobre velas leves se concentrem em viagens interestelares, tem havido várias propostas para o seu uso dentro do Sistema Solar.

Atualmente, a única nave espacial a utilizar uma vela solar como principal método de propulsão é o IKAROS que foi lançado pela JAXA em 21 de maio de 2010. Desde então tem sido implantada com sucesso, e mostrou estar produzindo aceleração como esperado. Muitas naves espaciais e satélites comuns também usam coletores solares, painéis de controle de temperatura e sombras solares como velas leves, para fazer pequenas correções em sua atitude e órbita sem usar combustível. Alguns tiveram até pequenas velas solares construídas propositadamente para este uso (por exemplo Eurostar E3000 satélites geoestacionários de comunicações construídos pela EADS Astrium).

CyclersEdit

É possível colocar estações ou naves espaciais em órbitas que ciclam entre diferentes planetas, por exemplo, um ciclista de Marte ciclaria sincronizadamente entre Marte e a Terra, com muito pouco uso de propulsores para manter a trajectória. Os ciclistas são conceitualmente uma boa idéia, porque os escudos de radiação maciça, suporte de vida e outros equipamentos só precisam ser colocados na trajetória do ciclista uma vez. Um ciclista poderia combinar vários papéis: habitat (por exemplo, poderia girar para produzir um efeito de “gravidade artificial”); nave-mãe (fornecendo suporte de vida para as tripulações de naves espaciais menores que travam um passeio nele). Os ciclistas também poderiam fazer excelentes naves de carga para reabastecimento de uma colónia.

Editar elevador espacial

Um elevador espacial é uma estrutura teórica que transportaria material da superfície de um planeta para a órbita. A ideia é que, uma vez concluída a dispendiosa tarefa de construir o elevador, um número indefinido de cargas pode ser transportado para órbita a um custo mínimo. Mesmo os projetos mais simples evitam o círculo vicioso de lançamentos de foguetes da superfície, onde o combustível necessário para percorrer os últimos 10% da distância em órbita deve ser levantado da superfície, exigindo ainda mais combustível, e assim por diante. Projetos de elevadores espaciais mais sofisticados reduzem o custo de energia por viagem utilizando contrapesos, e os esquemas mais ambiciosos visam equilibrar as cargas que sobem e descem e assim fazer com que o custo de energia seja próximo de zero. Os elevadores espaciais também têm sido por vezes referidos como “feijões”, “pontes espaciais”, “elevadores espaciais”, “escadas espaciais” e “torres orbitais”.

Um elevador espacial terrestre está além da nossa tecnologia actual, embora um elevador espacial lunar pudesse teoricamente ser construído utilizando materiais existentes.

SkyhookEdit

Um Gancho do céu é uma classe teórica de propulsão de cabo em órbita destinada a elevar cargas úteis a grandes altitudes e velocidades. As propostas para ganchos de cio incluem projetos que empregam amarras girando a velocidade hipersônica para capturar cargas úteis de alta velocidade ou aeronaves de alta altitude e colocá-las em órbita. Além disso, foi sugerido que o gancho rotativo do gancho de cabeça rotativo “não é engineeringly viável usando materiais atualmente disponíveis”.

Reutilizabilidade do veículo de lançamento e da espaçonaveEditar

A nave espacial SpaceX, com lançamento inaugural previsto não antes de 2020, foi projetada para ser totalmente e rapidamente reutilizável, fazendo uso da tecnologia reutilizável SpaceX que foi desenvolvida durante 2011-2018 para os veículos de lançamento Falcon 9 e Falcon Heavy.

O CEO do SpaceX Elon Musk estima que a capacidade de reutilização, tanto no veículo de lançamento como na nave espacial associada à nave espacial, reduzirá os custos totais do sistema por tonelada entregue a Marte em pelo menos duas ordens de magnitude em relação ao que a NASA tinha conseguido anteriormente.

Propulsores de encenaçãoEditar

Ao lançar sondas interplanetárias a partir da superfície da Terra, transportando toda a energia necessária para a missão de longa duração, as quantidades de carga útil são necessariamente extremamente limitadas, devido às limitações de massa de base descritas teoricamente pela equação do foguetão. Uma alternativa para transportar mais massa em trajectórias interplanetárias é usar quase todo o propulsor de estágio superior no lançamento, e depois recarregar os propulsores na órbita da Terra antes de disparar o foguete para escapar à velocidade para uma trajectória heliocêntrica. Estes propulsores podem ser armazenados na órbita de um depósito de propulsores, ou transportados para a órbita de um tanque de propulsores para serem directamente transferidos para a nave espacial interplanetária. Para retornar a massa à Terra, uma opção relacionada é extrair as matérias-primas de um objeto celeste do sistema solar, refinar, processar e armazenar os produtos de reação (propulsor) no corpo do Sistema Solar até o momento em que um veículo precise ser carregado para lançamento.

Transferências de petroleiro em órbitaEditar

As de 2019, o SpaceX está desenvolvendo um sistema no qual um veículo reutilizável da primeira etapa transportaria uma nave espacial interplanetária tripulada para a órbita da Terra, destacaria, retornaria à sua plataforma de lançamento onde uma nave espacial petroleira seria montada sobre ela, depois ambas abastecidas, depois lançadas novamente para o encontro com a nave espacial tripulada em espera. O petroleiro transferiria então seu combustível para a nave humana tripulada para uso em sua viagem interplanetária. A espaçonave SpaceX é uma espaçonave de estrutura de aço inoxidável impulsionada por seis motores Raptor que operam em propulsores de metano/oxigênio densificados. Tem 55 m de comprimento, 9 m de diâmetro no seu ponto mais largo e é capaz de transportar até 100 toneladas de carga e passageiros por viagem até Marte, com recarga de propulsor em órbita antes da parte interplanetária da viagem.

Planta de propulsão num corpo celesteEditar

Como exemplo de um projecto financiado actualmente em desenvolvimento, uma parte chave do sistema SpaceX foi concebido para Marte, de forma a diminuir radicalmente o custo dos voos espaciais para destinos interplanetários é a colocação e operação de uma planta física em Marte para lidar com a produção e armazenamento dos componentes de propulsão necessários para lançar e pilotar as naves espaciais de volta à Terra, ou talvez para aumentar a massa que pode ser transportada para os destinos no Sistema Solar exterior.

A primeira nave estelar a Marte transportará uma pequena instalação de propulsão como parte da sua carga de carga. A fábrica será expandida em múltiplos sínodos à medida que mais equipamento chega, é instalado e colocado em produção maioritariamente autónoma.

A fábrica de propulsão SpaceX irá aproveitar os grandes fornecimentos de dióxido de carbono e recursos hídricos em Marte, extraindo a água (H2O) do gelo subsuperficial e recolhendo CO2 da atmosfera. Uma usina química processará as matérias-primas por meio de eletrólise e do processo Sabatier para produzir oxigênio (O2) e metano (CH4), e depois liquefazê-lo para facilitar o armazenamento a longo prazo e o uso final.

Usando recursos extraterrestresEditar

Os veículos espaciais actuais tentam lançar com todo o seu combustível (propulsores e fontes de energia) a bordo que necessitarão para toda a sua viagem, e as estruturas espaciais actuais são levantadas da superfície da Terra. As fontes não terrestres de energia e materiais estão na sua maioria muito mais longe, mas a maioria não exigiria a elevação de um campo de gravidade forte e, portanto, deveria ser muito mais barato de usar no espaço a longo prazo.

O recurso não terrestre mais importante é a energia, porque pode ser usado para transformar materiais não terrestres em formas úteis (alguns dos quais também podem produzir energia). Pelo menos duas fontes fundamentais de energia não-terrestre foram propostas: a geração de energia solar (sem nuvens), seja diretamente pelas células solares ou indiretamente focalizando a radiação solar em caldeiras que produzem vapor para acionar geradores; e amarras eletrodinâmicas que geram eletricidade a partir dos poderosos campos magnéticos de alguns planetas (Júpiter tem um campo magnético muito poderoso).

Gelo de água seria muito útil e é muito difundido nas luas de Júpiter e Saturno:

• A baixa gravidade destas luas faria delas uma fonte de água mais barata para estações espaciais e bases planetárias do que erguê-la da superfície da Terra.
• As fontes de energia não-terrestres poderiam ser usadas para eletrólise de gelo de água em oxigênio e hidrogênio para uso em motores de foguete bipropulsores.
• Foguetes térmicos nucleares ou foguetes térmicos solares poderiam usá-los como massa de reação. O hidrogênio também foi proposto para uso nestes motores e forneceria um impulso específico muito maior (impulso por quilograma de massa de reação), mas tem sido afirmado que a água irá bater o hidrogênio em termos de custo/desempenho apesar de seu impulso específico muito menor por ordens de magnitude.

O oxigênio é um constituinte comum da crosta da lua, e é provavelmente abundante na maioria dos outros corpos do Sistema Solar. O oxigênio não terrestre seria valioso como fonte de gelo de água somente se uma fonte adequada de hidrogênio pudesse ser encontrada. Possíveis usos incluem:

• Nos sistemas de suporte de vida de naves espaciais, estações espaciais e bases planetárias.
• Nos motores de foguetes. Mesmo que o outro propulsor tenha que ser levantado da Terra, o uso de oxigênio não terrestre poderia reduzir os custos de lançamento do propulsor em até 2/3 para o combustível hidrocarboneto, ou 85% para o hidrogênio. A economia é tão alta porque o oxigênio é responsável pela maior parte da massa na maioria das combinações de propulsores para foguetes.

Felizmente o hidrogênio, juntamente com outros voláteis como carbono e nitrogênio, são muito menos abundantes que o oxigênio no Sistema Solar interno.

Os cientistas esperam encontrar uma vasta gama de compostos orgânicos em alguns dos planetas, luas e cometas do Sistema Solar externo, e a gama de usos possíveis é ainda maior. Por exemplo, o metano pode ser usado como combustível (queimado com oxigênio não terrestre), ou como matéria-prima para processos petroquímicos, como a fabricação de plásticos. E o amoníaco pode ser uma matéria-prima valiosa para a produção de fertilizantes a serem usados nas hortas de bases orbitais e planetárias, reduzindo a necessidade de levantar alimentos da Terra para elas.

As rochas não processadas podem ser úteis como combustível para foguetes se forem empregados motoristas de massa.