Por que a Nasa insiste em usar combustível ‘imprevisível’ para voltar à Lua?

O sonho da Nasa de ver quatro astronautas orbitando a Lua esta semana deparou-se com um velho e conhecido inimigo: o combustível.

Enquanto o cronograma original marcava o retorno triunfal da missão Artemis 2, os engenheiros em terra travam uma batalha técnica contra os persistentes vazamentos no foguete, que deve nos devolver ao espaço profundo.

A apenas algumas horas de começar um teste prévio ao lançamento chamado “ensaio completo com combustível” no início de fevereiro, os controladores de lançamento descobriram que estava vazando hidrogênio líquido super-resfriado suficiente na plataforma de lançamento para gerar preocupações de segurança.

Os vazamentos de hidrogênio continuaram aparecendo, o que forçou a Nasa a interromper o fluxo de combustível para o foguete em várias ocasiões.

O problema finalmente deixou a agência espacial incapaz de completar o teste completo e levou a mais de uma semana de investigações e reparos.

Se os incômodos vazamentos de hidrogênio e uma missão lunar atrasada evocam uma sensação de déjà vu, pode ser porque a Nasa já passou por isso antes.

A decolagem de um voo de teste não tripulado ao redor da Lua em 2022, chamado Artemis 1, foi atrasada várias vezes e quase foi frustrada por um escape de hidrogênio semelhante antes que uma equipe de trabalhadores da Nasa vestidos com macacões chegasse no último momento e consertasse manualmente uma válvula com vazamento.

Também há registros de engenheiros que lutaram com problemas semelhantes ao longo do programa do Ônibus Espacial, que se desenvolveu entre 1981 e 2011.

Os vazamentos são uma grande preocupação em terra: o hidrogênio é muito fácil de inflamar e energético, o que significa que excesso dele em uma área traz o risco de uma explosão catastrófica.

Assim, enquanto os controladores de lançamento navegavam por outro ensaio “molhado” na quinta-feira (19), a pergunta permanece: por que a Nasa continua usando este combustível notoriamente imprevisível?

Os engenheiros foram pioneiros no uso do hidrogênio como combustível para foguetes em meados do século 20, antes de ser empregado nos foguetes lunares Apollo — e a maioria dos veículos de lançamento que optaram por este combustível desde então também lidou com vazamentos.

Por exemplo, o foguete Vulcan Centaur, produzido pela empreiteira militar norte-americana ULA (United Launch Alliance) e baseado em décadas de tecnologia herdada, utiliza hidrogênio para impulsionar a parte superior de seu foguete.

E em 2023, um vazamento de combustível causou uma explosão em forma de bola de fogo durante um teste do Vulcan Centaur no Alabama, danificando a infraestrutura próxima e atrasando o lançamento inaugural do foguete.

Vazamentos

As tendências de vazamento do hidrogênio podem atribuir-se ao fato de ser o elemento mais leve do universo. “Tende a encontrar uma maneira de sair de qualquer coisa em que você tente contê-lo”, disse Adam Swanger, pesquisador principal sênior e engenheiro de pesquisa em criogenia no Centro Espacial Kennedy da Nasa. “E tem uma densidade muito baixa.”

Para colocar em perspectiva, o hidrogênio é aproximadamente 14 vezes mais leve que o ar na Terra. Mas as mesmas propriedades que tornam tão difícil conter o hidrogênio também o tornam um combustível ideal para foguetes.

“A baixa densidade é boa para o desempenho”, disse Swanger à CNN Internacional. “Então, aí há uma espécie de compensação”.

Ao selecionar o combustível para um foguete, a consideração mais importante é um conceito chamado Isp (Impulso Específico). É uma medida de quanta força de empuxo — ou força — um motor de foguete pode gerar com uma quantidade determinada de combustível.

Para calcular o Isp, o empuxo previsto de um motor de foguete é dividido pela velocidade com que ele expele o peso de um propelente.

E o peso é crucial nos voos espaciais: quanto mais potência um foguete deve usar para levantar seu próprio peso, menos capacidade o veículo tem para transportar carga valiosa ou pessoas para a órbita.

O hidrogênio é conhecido por ter um impulso específico muito favorável devido ao fato de ser muito leve, e fornece uma potência considerável na decolagem.

De fato, é o melhor no setor, ostentando a maior eficiência de todas as opções de combustível para foguetes, “por isso acabamos usando-o muito”, disse Swanger.

Ainda assim, no caso da missão Artemis, a escolha de combustível da Nasa vai além do simples desempenho.

Às vezes, considera-se que o hidrogênio causa mais problemas do que vale a pena, dada sua propensão a provocar atrasos nos lançamentos.

No entanto, o combustível também oferece a melhor vantagem de eficiência quando utilizado no vácuo do espaço.

Por isso, alguns fabricantes de foguetes optam por utilizar hidrogênio para os estágios superiores dos veículos de lançamento, mas empregam um combustível mais manejável para o primeiro estágio de um foguete, que abriga todos os motores que fornecem o empuxo inicial a partir da plataforma de lançamento.

Os foguetes orbitais construídos pela Blue Origin de Jeff Bezos ou pela SpaceX de Elon Musk, por exemplo, utilizam combustíveis alternativos — como o metano ou o RP-1 (um tipo de querosene) — para os primeiros estágios de seus foguetes.

Mas o foguete lunar Artemis da Nasa, chamado SLS (Sistema de Lançamento Espacial), utiliza hidrogênio tanto nas porções superiores quanto nas do primeiro estágio do veículo.

E há uma razão não tão óbvia para isso: “Em última análise, foi uma decisão do Congresso que foi estabelecida por meio de uma lei que obrigava a Nasa a utilizar o hardware, as equipes de trabalho e os contratados do Ônibus Espacial para construir o SLS”, disse Casey Dreier, chefe de política espacial da organização sem fins lucrativos Planetary Society.

Em outras palavras, o SLS utiliza hidrogênio em parte porque o Ônibus Espacial também o usava, e os legisladores queriam que o programa SLS preservasse em grande medida as equipes de trabalho e as cadeias de suprimentos da era do Ônibus Espacial.

Os vazamentos de hidrogênio com os quais a Nasa está lidando hoje são um sintoma dessa decisão, acrescentou Dreier.

Tentar montar peças de um programa antigo para construir novos foguetes — em vez de começar do zero — “na verdade deslocou muitas consequências e custos para o momento de operar o foguete”.

E, embora todos os foguetes que usam hidrogênio sejam suscetíveis a vazamentos frustrantes, os problemas da Nasa com o SLS podem ser agravados por suas peculiaridades políticas.

“Nunca operará tão bem como se tivessem projetado um foguete novo”, disse Dreier. “Terá grandes custos fixos. E você terá foguetes temperamentais.”

A Nasa reconheceu que o SLS pode ser temperamental. Mas o veículo ainda se encontra nos primeiros dias de uso, após duas décadas de desenvolvimento.

“É um veículo experimental”, disse Amit Kshatriya, administrador associado da Nasa, durante uma conferência de imprensa em 3 de fevereiro ao lado de vários outros funcionários da agência. “Ninguém sentado em uma destas cadeiras deve chamar nenhum destes veículos de operacional.”

Vale destacar que a Nasa normalmente não considera que um foguete esteja completamente “operacional” até que entre em serviço rotineiro, um marco que o SLS pode levar bastante tempo para alcançar, considerando a baixa frequência de seus voos.

Os funcionários da agência espacial só consideraram operacional o Ônibus Espacial, por exemplo, após ele completar suas primeiras quatro missões, todas elas tripuladas.

Kshatriya acrescentou que tem sido difícil para a Nasa antecipar os vazamentos do SLS e determinar como preveni-los.

É possível que o processo de levar o foguete até a plataforma de lançamento tenha contribuído para o problema de vedação com vazamentos que os engenheiros estão resolvendo atualmente, mas a agência ainda não confirmou a causa.

“É bastante complicado do ponto de vista do estresse e da tensão. Não é uma desculpa”, observou Kshatriya, mas os engenheiros apenas começaram a detalhar como esses problemas podem se desenvolver.

Durante a Artemis 1 e também no primeiro ensaio geral úmido da Artemis 2 no início de fevereiro, os vazamentos foram localizados na mesma área: a TSMU (Torre de Serviço de Cauda Umbilical), uma estrutura de três andares de altura que conecta o foguete SLS com o equipamento em terra.

Para abordar os problemas mais recentes detectados na TSMU, a Nasa disse que os técnicos substituíram recentemente as juntas ao redor de duas das linhas de propelente naquela área.

Para realizar um teste de “wet dress” (ensaio úmido) bem-sucedido e manter o foguete seguro no dia do lançamento, a Nasa deve manter a taxa de vazamento durante o enchimento abaixo de 16%, de acordo com a diretora de lançamento da Nasa, Charlie Blackwell-Thompson.

Testes

E a Nasa está empregando vários métodos para tentar manter-se dentro dos limites aceitáveis.

Além de trabalhar para detectar e solucionar a fonte de vazamentos antes do enchimento, a agência também pode utilizar uma técnica durante o processo de carga de hidrogênio que envolve aquecer brevemente as linhas de combustível, com a esperança de que as vedações possam se assentar novamente em uma posição desejável antes de serem submetidas a temperaturas extremamente frias novamente.

Alguns dos esforços de solução de problemas podem estar dando resultado, já que o administrador da Nasa, Jared Isaacman, anunciou no início deste mês que um teste no qual os engenheiros encheram parcialmente os tanques de hidrogênio do SLS, mostrou melhorias.

Com base nas primeiras revisões dos dados, a agência não observou alguns dos vazamentos que preocuparam no ensaio anterior de “wet dress”, disse Isaacman.

O constante esforço da Nasa para conter seu combustível preferido dentro do foguete levanta a questão de se o foguete SLS sempre terá que lidar com vazamentos de hidrogênio, ou se uma solução permanente poderá ser encontrada.

Kshatriya observou que, embora um foguete SLS já tenha voado antes, o veículo não é reutilizável. Isso significa que o SLS na plataforma de lançamento hoje é completamente novo e pode ter seus próprios caprichos e peculiaridades.

O ensaio de “wet dress” do início de fevereiro foi “a primeira vez que esta máquina em particular esteve em contato com criogênicos”, disse Kshatriya, referindo-se aos combustíveis super-resfriados.

“E como ela respira, como ela ventila — e como ela tende a vazar — é algo que temos que caracterizar”.

Mas evitar completamente os vazamentos de hidrogênio pode exigir avanços na ciência dos materiais.

“Em vez de perguntar por que o hidrogênio é difícil de manusear, do ponto de vista da ciência dos materiais, a pergunta é: ‘Existe algum material atual que tenha tenacidade à fratura suficiente?’”, explicou Jihua Gou, professor do departamento de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade da Flórida Central.

Baixas temperaturas

O hidrogênio líquido deve ser mantido à temperatura inimaginavelmente gélida de -252,7°C (-423 graus Fahrenheit).

E a infraestrutura que o contém deve ser capaz de suportar resfriamentos frequentes até essa temperatura.

“O maior problema é a mudança de temperatura. E as vedações são uma coisa, mas o que sustenta as vedações também muda de forma”, indicou Swanger, engenheiro pesquisador da Nasa.

Atualmente, a Nasa está utilizando polímeros de teflon chamados PTFE (Politetrafluoretileno), observou ele, para essas vedações.

“O teflon é usado tipicamente porque historicamente tem sido o que melhor funciona. Simplesmente não há muitas opções”, disse Swanger. E “torna-se um problema realmente desafiador com interfaces muito grandes”.

O foguete SLS, observou ele, tem limitações de design específicas.

Seu enorme tamanho, por exemplo, complica a busca por uma solução permanente para os vazamentos de hidrogênio porque um foguete tão grande requer uma taxa de fluxo significativa para o combustível, o que aumenta o risco de infiltrações.

“Quando você soma todos esses requisitos tão especiais, você está realmente limitado no que pode fazer”, disse Swanger.

“Acho que se houvesse um conjunto diferente de requisitos, ou se começássemos do zero — descobrindo como fazer algo que absolutamente não possa ter vazamentos — provavelmente seria possível”.

Mas não se pode voltar à prancheta de desenho para o SLS, observou ele, “e simplesmente não é muito prático tentar fazê-lo”.

Se a ideia de um veículo impulsionado por hidrogênio recorda alguns incidentes perigosos, como o desastre do Hindenburg, Swanger também enfatizou que, pelo menos, a Nasa entende como usar de forma segura este combustível, às vezes, incontrolável.

“Pode ser usado absolutamente de forma segura sem nenhum problema, e mesmo com os vazamentos que tivemos”, disse Swanger, “nunca tivemos um acidente”.

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