Um laser pode enviar uma nave espacial para Marte? Esta é a missão pretendida do grupo da Universidade McGill, projetada para atender ao pedido da NASA. Um laser de 10 metros de largura na Terra aqueceria o plasma de hidrogênio em uma câmara atrás da espaçonave, criando um impulso de gás hidrogênio para a espaçonave e enviando-o para Marte em apenas 45 dias. Lá ele desaceleraria na atmosfera marciana, entregando suprimentos aos colonos humanos, ou talvez algum dia até entregando os próprios humanos.
Em 2018, a NASA desafiou os engenheiros a desenvolver uma missão a Marte que entregaria uma carga útil de pelo menos 1.000 kg em não mais de 45 dias, além de fazer viagens mais longas no sistema solar e além. Os curtos prazos de entrega são motivados pelo desejo de levar cargas úteis e, algum dia, astronautas a Marte, minimizando os efeitos nocivos dos raios cósmicos galácticos e tempestades solares. A SpaceX de Elon Musk sugere que uma missão humana a Marte levará seis meses com seus foguetes baseados em produtos químicos.
O conceito de McGill, chamado de motor laser-térmico, é baseado em uma matriz de lasers infravermelhos localizados na Terra, com 10 metros de diâmetro, combinando muitos feixes infravermelhos invisíveis, cada um comprimento de onda de cerca de um mícron, para uma potência total de 100 megawatts. Energia necessária para aproximadamente 80.000 residências nos EUA. A carga útil, orbitando em uma órbita terrestre média elíptica, terá um refletor que direciona um feixe de laser vindo da Terra para uma câmara de aquecimento contendo plasma de hidrogênio. Depois que seu núcleo for aquecido a 40.000 graus Kelvin (72.000 graus Fahrenheit), o gás hidrogênio que flui ao redor do núcleo atingirá 10.000 K (18.000 graus Fahrenheit) e será expelido através de um bocal, criando impulso para empurrar a nave da Terra com intervalo de 58 minutos. (Os propulsores laterais manterão a nave alinhada com o feixe de laser enquanto a Terra gira.)
Quando a radiação para, a carga útil é soprada a quase 17 quilômetros por segundo em relação à Terra – rápido o suficiente para cobrir a distância orbital da Lua em apenas oito horas. Quando atingir a atmosfera marciana em um mês e meio, ainda estará viajando a 16 km/s; no entanto, uma vez lá, colocarga em uma órbita de 150 km ao redor de Marte será um desafio para a equipe de engenharia.
É complicado porque a carga útil não pode transportar o propulsor químico para lançar o foguete para desacelerar - o propulsor necessário reduziria a massa da carga para menos de 6% dos 1.000 kg originais. E até que as pessoas no planeta vermelho possam construir uma matriz de laser equivalente para uma nave que se aproxima usar seu refletor e câmara de plasma para fornecer impulso reverso, a aerocaptura será a única maneira de diminuir a carga útil em Marte.
Mesmo assim, a aerocaptura ou aerofrenagem na atmosfera marciana pode ser uma manobra arriscada, pois a espaçonave sofre uma desaceleração de até 8 g (onde g é a aceleração da gravidade na superfície da Terra, 9,8 m/s2), aproximadamente o limite humano , por apenas alguns minutos, uma vez que foi filmado em uma passagem ao redor de Marte. Grandes fluxos de calor no navio devido ao atrito com a atmosfera serão maiores do que os materiais tradicionais do sistema de proteção térmica, mas não aqueles que estão em desenvolvimento ativo.
A propulsão laser-térmica de naves espaciais no espaço profundo – Marte e além – contrasta com outros métodos de transporte propostos anteriormente, como a propulsão elétrica a laser, na qual um feixe de laser atinge elementos fotovoltaicos (PV) atrás da carga útil; um motor solar-elétrico no qual a luz solar nas células fotovoltaicas cria tração; um motor elétrico nuclear, no qual o reator nuclear gera eletricidade que produz íons emitidos pelo motor; e um sistema de propulsão térmica nuclear, no qual o calor de um reator nuclear converte líquido em gás, que é expelido de um bocal para gerar empuxo.
“A propulsão laser-térmica permite o transporte rápido de 1 tonelada com matrizes de laser do tamanho de uma bola de vôlei – algo que a propulsão laser-elétrica só pode fazer com matrizes de classe de quilômetros”, diz Emmanuel Duplay, principal autor do estudo, que trabalhou no projeto por dois anos como parte do programa de verão de bacharel em estudos de engenharia na Universidade McGill. Duplay está atualmente estudando na Delft University of Technology em um programa de Mestrado em Engenharia Aeroespacial com especialização em Vôo Espacial.A grande vantagem do conceito de propulsão laser-térmica apresentado por Duplay et al. é sua relação massa-potência extremamente baixa, na faixa de 0,001-0,010 kg/kW - "sem precedentes", escrevem, "muito abaixo mesmo daquelas fornecidas para a tecnologia de propulsão nuclear avançada, devido ao fato de a fonte de energia permanecer no chão e o fluxo entregue podem ser tratados com um refletor inflável de baixa massa.”
O movimento laser-térmico foi estudado pela primeira vez na década de 1970 usando lasers de CO2 de 10,6 mícrons, os mais poderosos da época. Os modernos lasers de fibra óptica de um mícron, que podem ser combinados em matrizes de fase maciçamente paralelas com grandes diâmetros efetivos, significam que a distância focal da transferência de energia é duas ordens de magnitude maior - 50.000 km em um laser Duplay.
Duplay explica que a arquitetura de laser phased array está sendo desenvolvida por um grupo liderado pelo físico Philip Lubin da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara. A matriz do grupo Lubin usa amplificadores de laser individuais de cerca de 100 watts cada - cada amplificador é um simples loop de fibra e LED como uma bomba, e pode ser produzido em massa de forma barata - então a missão a Marte prevista aqui exigiria na ordem de 1 milhão amplificadores individuais.
Os primeiros humanos em Marte provavelmente não chegarão lá com tecnologia laser-térmica. “No entanto, à medida que mais pessoas fizerem a jornada para apoiar uma colônia de longo prazo, precisaremos de sistemas de propulsão que nos levem até lá mais rápido, apenas para evitar o risco de radiação”, diz Duplay. Ele acredita que uma missão laser-térmica a Marte poderia começar 10 anos após os primeiros voos humanos, ou seja, por volta de 2040.
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