É muito difícil para nossos cérebros interpretar com exatidão as distâncias do universo. Por mais perto que os planetas do sistema solar estejam de nós quando comparados com outras estrelas, galáxias e exoplanetas, eles ainda estão muito longe. E muitas vezes, eles são muito frios e remotos para que qualquer nave espacial os explore usando apenas a energia solar.
A boa notícia é que temos Plutônio-238: um radioisótopo (ou uma forma radioativa de um elemento) cujo calor pode ser convertido em eletricidade. Quando colocado dentro de dispositivos chamados fontes de energia de radioisótopos (RPS), o plutônio-238 pode manter as missões mais épicas da NASA durante décadas.
O problema é que a maior parte do plutônio-238 foi forjada durante a Guerra Fria, e o material preparado para as missões pode estar esgotado dentro de oito anos, de acordo com um relatório do Escritório Governamental de Prestação de Contas (GAO) dos EUA.
O Departamento de Energia americano está trabalhando para criar mais plutônio para a NASA, mas o relatório disse que problemas com esse programa “podem comprometer a capacidade da NASA de usar RPS como fonte de energia para futuras missões”.
Se atingimos um estrangulamento de plutônio, o futuro conhecimento sobre o Sistema Solar pode ficar comprometido.
Os radioisótopos são poderosas fontes de combustível tudo-em-um. À medida que se deterioram e se transformam em novos elementos, eles liberam quantidades impressionantes de energia. Esse calor pode aquecer circuitos robóticos frágeis e executar fontes de energia compactas, leves e capazes de fornecer eletricidade por décadas.
Mas dos cerca de 2.900 tipos de radioisótopos conhecidos pela humanidade, apenas 22 são capazes de alimentar uma sonda de espaço profundo, de acordo com um estudo de 2009 das Academias Nacionais de Ciências. E 21 deles possuem muitos desafios para serem de uso prático, uma vez que muitos são muito caros, emitem muita radiação perigosa para trabalhar ou não emitem calor suficiente.
O único que preenche todos os requisitos da NASA é o plutônio-238. E, ao contrário do seu isótopo irmão Pu-239, o Pu-238 não pode ser transformado em bombas nucleares explosivas.
“É como um isótopo mágico. É apenas certo”, diz Jim Adams, tecnólogo-chefe adjunto da NASA. Parte do segredo do Pu-238 é que sua meia-vida – o tempo necessário para metade de qualquer quantidade do isótopo decair – é de 87,7 anos. Isso significa que um século a partir de agora, qualquer quantidade emitirá um pouco menos da metade do calor que emite hoje.
Isso é importante porque o tempo é uma batalha no espaço – levou sete anos para a sonda Cassini alcançar Saturno e nove para a nave espacial New Horizons chegar a Plutão.
A longa vida de Pu-238 é a razão pela qual a NASA ainda pode conversar com as sondas Voyager 40 anos depois que elas foram lançadas e já estarem além do sistema solar.
Os engenheiros têm muitas outras maneiras de alimentar sondas de ciência planetária, incluindo baterias, células de combustível, energia solar e até mesmo reatores nucleares. Mas estudo após estudo coloca o plutônio-238 como a melhor escolha por uma longa lista de razões (incluindo a sua meia-vida).
A maior delas é a falta de espaço em foguetes. Muito tamanho ou peso pode tornar a missão inviável, portanto, se uma fonte de energia é muito grande ou pesada, os cientistas devem sacrificar as ferramentas e capacidades de um robô.
A radiação é uma questão relacionada: muitos planetas e luas estimulam potentes campos eletromagnéticos, que podem danificar a parte eletrônica da nave. Os painéis solares são especialmente suscetíveis a esse tipo de radiação, então, ao enviar sondas para destinos arriscados – como Europa, a lua de Júpiter que potencialmente abriga vida – engenheiros embalam tudo em sistemas de blindagem pesados e grossos. Isso permite que um robô fique em um planeta ou lua por mais de algumas horas de cada vez.
As baterias pré-carregadas e células de combustível também não duram o suficiente para a maioria das missões no espaço profundo. Os painéis solares duram, mas eles têm que ser muito grandes quando enviados longe do sol.
Em Júpiter, por exemplo, a luz tem cerca de 4% do brilho que tem na Terra. Isso exigiu que os painéis solares desdobrados na nave espacial Juno da NASA se expandissem para aproximadamente o tamanho de uma quadra de tênis.
O espaço também é muito frio, e muitos equipamentos eletrônicos precisam permanecer acima de uma certa temperatura para funcionar. Jessica Sunshine, cientista espacial que desenvolveu uma missão de Comet Hopper (missões que buscam explorar cometas) para a NASA, acredita que, sem plutônio, missões como a dela são questionáveis.
“Não é uma questão de “você pode fazer isso melhor?”, mas “você pode fazer isso?”, diz ela. “Em um cometa, operando a distâncias loucas, você não pode pousar com painéis solares do tamanho de uma asa de um Airbus. Uma fonte de energia radioativa é uma coisa totalmente possibilitadora”.
Próximas missões em risco?
O governo dos EUA parou de fazer o Pu-238 em 1988. A Rússia vendeu alguns para a NASA nos anos 90 e 2000, mas parou de vender em torno de 2009 – provavelmente porque o estoque da era da Guerra Fria acabou.
Assim como a agência espacial planejava novas missões de plutônio e usou todo seu abastecimento, os pesquisadores cada vez mais começaram a soar seus alarmes. A complexidade de produzir mais Pu-238, estimativas de custos difíceis de alcançar e desentendimentos no Congresso americano bloquearam o financiamento de um projeto de reabastecimento por cerca de duas décadas.
Como resultado, a NASA hoje possui cerca de 35 kg (embora o Departamento de Defesa tenha um estoque separado). No entanto, uma vez que o Pu-238 decai, apenas cerca de metade do estoque da NASA ainda está fresco e quente o suficiente para as necessidades da agência espacial.
Isso não é suficiente para outra missão como a Cassini, que usou mais de 23 kg. No entanto, os cientistas espaciais esperam enviar naves espaciais similares para explorar oceanos escondidos nas luas de Júpiter e Saturno, revisitar Urano, Netuno e Plutão e viajar para outros destinos frios, misteriosos e distantes pela primeira vez.
“Todas essas missões exigiriam energia nuclear”, diz Alan Stern, ex-chefe de ciências da NASA e pesquisador principal da missão New Horizons.
É por isso que cientistas espaciais celebraram em julho de 2011, quando o Congresso dos EUA aprovou 10 milhões de dólares em novos fundos para reiniciar a produção de Pu-238 pela primeira vez desde a Guerra Fria. A DOE gerencia o projeto de reabastecimento de plutônio, uma vez que os regulamentos federais impedem a NASA de lidar com o material nuclear. O objetivo do projeto é revitalizar o plutônio em envelhecimento nas reservas da NASA e ampliá-lo com plutônio fresco.
Em dezembro de 2015, a DOE criou 50 gramas de plutônio preparado para a missão para a NASA. Essa quantidade foi dobrada para cerca de 100 gramas (apenas mais de duas bolas de golfe em massa), e outros 100 gramas devem sair dos reatores nos próximos meses.
“Eles parecem ter descoberto a receita secreta”, diz Ralph McNutt, cientista-chefe do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins, nos EUA.
Ajusta, reinicia e diminui
Jim Green, chefe do programa de ciência planetária da NASA, está otimista em relação ao projeto, que em breve custará à agência espacial cerca de 20 milhões de dólares por ano. A DOE espera começar a produzir 300 a 450 gramas de Pu-238 por ano em 2019.
“Eu acho que estamos em boas condições para as próximas décadas”, disse Green durante uma conferência de imprensa no mês passado após a destruição de Cassini. “Nosso plano é manter um estoque de plutônio e não deixar que esse seja um fator de limitação de missões”.
Mas a linha de produção e o relatório da GAO sugerem que não é tão fácil. A NASA pediu à DOE que criasse cerca de 1,5 quilo de Pu-238 por ano, e a DOE prometeu tentar atingir a produção em grande escala nesse nível em torno de 2019 o mais cedo possível.
Mas ao longo dos anos o prazo inicial mudou para 2021, e, em seguida, para 2023 e para 2025. O programa deverá alcançar a produção em escala total até 2026 – o que significa que um prazo de sete anos diminuiu para apenas um ano.
David Schurr, vice-diretor do programa de ciência planetária da NASA, disse ao portal Business Insider por e-mail que essas mudanças no tempo eram “normais e esperadas” e não existe um risco “que ameace a disponibilidade de combustível no futuro previsível”.
Tecnicamente, o DOE ainda está dentro da sua faixa de produção estimada. A NASA também tem plutônio suficiente para o veículo que deve ser lançado até Marte em 2020, que terá o tamanho de um carro, bem como para uma das várias propostas de missão nuclear que poderá selecionar em 2019 – os dois únicos lançamentos de missão nuclear que a agência pode lançar até 2025.
No entanto, de acordo com o novo relatório do GAO, que foi a peça central de uma audiência no Congresso na quarta-feira, a NASA pode ficar sem plutônio preparado para missões depois disso.
O GAO passou 18 meses auditando a operação de produção de plutônio e identificou muitos inconvenientes na química, fluxo de trabalho e escalabilidade do projeto da DOE. Essas questões surgiram porque a DOE não podia simplesmente levar os planos da Era da Guerra Fria, retirar o equipamento antigo, contratar pessoal aposentado e começar. As instalações, o pessoal e o processo utilizado durante esse período não existem mais.
“O reator desapareceu agora. Desmontado. A torre de resfriamento foi derrubada no início dos anos 90”, disse McNutt. “Todas essas coisas se foram”.
A receita também é diferente. Os pesquisadores da era da Guerra Fria inventaram um novo processo de produção que gera menos resíduos radioativos, mas McNutt disse que ninguém nunca conseguiu trabalhar de forma perfeita, muito menos tentando expandir. “Isso é tão incrivelmente complicado. É difícil. Intrinsecamente difícil”, diz McNutt.
Ele notou durante a audiência no Congresso de quarta-feira que levou cerca de 7 bilhões de dólares em pesquisa há mais de 60 anos para desenvolver o combustível e os suprimentos de energia que a NASA usa hoje.
Produzindo Pu-238
Para forjar 1,5kg de plutônio por ano, o DOE teve que montar máquinas complexas em três instalações espalhadas pelo país.
Em resumo, o processo segue assim: Netúnio-237 (outro subproduto da era da Guerra Fria e o material chave para fazer Pu-238) é enviado do Laboratório Nacional Idaho para o Laboratório Nacional Oak Ridge, no Tennessee, onde transformado em alvos prontos para o reator.
Esses alvos são irradiados por meses, removidos e depois deixados para refrigerar radioativamente, um processo que demora cerca de um ano. Os técnicos então dissolvem os alvos, purificam uma pequena quantidade de Pu-238 fresco e contêm o desperdício. O netúnio restante é colocado em novos alvos, alguns dos quais são enviados de volta para Idaho.
Uma vez feito, o plutônio fresco é enviado ao Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México, onde é armazenado e inserido em dispositivos de segurança que contêm o plutônio dentro de uma fonte de energia de radioisótopos. Esses dispositivos são então enviados de volta a Idaho para montagem em fontes de energia para a NASA.
Todo o programa custa à NASA cerca de 77 milhões de dólares por uma fonte de energia com 4,8 kg de plutônio, de acordo com o relatório GAO. O veículo Curiosity, em Marte, usa uma fonte de energia como essa, embora as futuras missões possam usar até três. A NASA consegue um grande desconto quando várias fontes de alimentação são encomendadas por vez.
De acordo com o relatório GAO, a DOE “está ainda na fase experimental” com produção de Pu-238 e não dominou a química. Eles também dizem que atender a produção em grande escala exigirá tornar os alvos de netúnio cinco vezes mais rápidos.
A DOE também pode precisar de um pessoal de técnicos de 38 a 50% maior, cada um dos quais demora cerca de dois anos para ser treinado. Além disso, o relatório afirma que a DOE não está rastreando riscos sistêmicos que podem ameaçar os objetivos de produção de Pu-238 do departamento, nem comunicando-os à NASA.
Por exemplo, o projeto compete pelo espaço de trabalho em uma instalação relacionada com a principal responsabilidade da DOE – manter o arsenal de armas nucleares dos EUA – então o projeto pode ter que fazer uma pausa a menos que seja organizada uma nova localização.
O DOE concordou com as conclusões do relatório e comprometeu-se a elaborar um novo plano até setembro de 2018. “Geralmente, sem planos claros e boas avaliações de risco, você pode ser surpreendido”, afirma Schurr
“Eu acho que as pessoas que estão gerenciando isso estão realmente em uma encruzilhada”, acredita McNutt. “Até que estejamos realmente funcionando em um nível de produção em grande escala, não acho que realmente vamos saber quanto tudo isso vai custar”.
Mas ele ainda é otimista, especialmente porque uma escassez de plutônio mais assustadora apareceu no horizonte antes de 2009.
“Nós literalmente pensamos que estávamos perto de sair do negócio, que isso estava perto de ser encerrado. Pelo menos agora, estamos em funcionamento”, ele diz, acrescentando: “Eu sempre digo às pessoas, “se você quiser gratificação instantânea, não entre no negócio espacial”. [Science Alert]
