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Na década de 1990, a Nasa projetou um avião espacial experimental destinado a ser uma alternativa econômica aos caros foguetes.
Chamado de X-33, ele era baseado em um conceito chamado SSTO — ou “single stage to orbit” (estágio único para órbita). O SSTO elimina os estágios do foguete no voo espacial convencional — em que os foguetes contendo motores e combustível são descartados durante a subida para reduzir peso —, favorecendo uma única nave espacial totalmente reutilizável.
O X-33 foi projetado para ser lançado verticalmente como um foguete, mas aterrissar em uma pista como um avião, com o objetivo de reduzir o custo de enviar uma libra (cerca de 450 gramas) de carga útil para órbita de US$ 10.000 (cerca de R$ 56.000) para apenas US$ 1.000 (cerca de R$ 5.600).
No entanto, o programa foi cancelado em 2001 devido a dificuldades técnicas, somando-se a uma lista de projetos semelhantes que não se concretizaram.
“Eu liderava o programa X-33, e desistimos dele porque nossa avaliação era de que ele iria custar mais do que estávamos dispostos a gastar, e estávamos no limite da capacidade tecnológica para realmente realizá-lo,” diz Livingston Holder, engenheiro aeroespacial, ex-astronauta da USAF e gerente do programa X-33, e agora CTO da Radian Aerospace, uma empresa sediada em Seattle que ele co-fundou em 2016 para reviver o sonho do SSTO.
“As coisas mudaram drasticamente desde o X-33 — temos materiais compostos que são mais leves, mais resistentes e podem suportar uma faixa térmica maior do que tínhamos naquela época. E a propulsão é melhor do que qualquer coisa que tínhamos, em termos de quão eficientemente queima propelente e quanto os sistemas pesam,” ele diz.
O produto dessa tecnologia atualizada é o Radian One, um novo avião espacial que substituirá o lançamento vertical por um sistema muito incomum — um trenó movido a foguete.
Estágios desperdiçadas
Para conseguir escapar da gravidade da Terra e alcançar a órbita, um foguete precisa atingir uma velocidade de cerca de 28.000 km/h, de acordo com Jeffrey Hoffman, professor de aeronáutica e astronáutica no Instituto de Tecnologia de Massachusetts e ex-astronauta da Nasa que voou em cinco missões do ônibus espacial.
“O problema é que, à medida que você sobe, não precisa apenas levantar o foguete e a carga útil, mas também todo o combustível que está carregando,” ele diz.
Um foguete capaz de atingir essa velocidade precisaria dedicar 95% de sua massa ao combustível, diz Hoffman, deixando muito pouco espaço para todo o resto. “É um sonho conseguir chegar à órbita com um estágio,” ele acrescenta. “Mas, para fazer isso, a estrutura do foguete, os motores e a carga útil não podem ser mais do que cerca de 5% da massa total de todo o sistema. E simplesmente não sabemos como construir coisas assim.”
É por isso que todos os foguetes já usados para alcançar a órbita têm vários estágios, embora os foguetes atuais, como o Falcon 9 da SpaceX, tenham menos estágios — dois — do que os antigos, como o Saturno V da missão Apollo à lua, que tinha três.
“Uma vez que você usa todo o propelente do primeiro estágio, em vez de carregar essa estrutura com você até a órbita, você simplesmente a descarta. E isso efetivamente permite que você leve muito mais carga útil para uma dada massa na plataforma de lançamento,” explica Hoffman.
Tradicionalmente, os estágios gastos dos foguetes caem de volta na Terra (geralmente no oceano), queimam na atmosfera ou acabam em órbita como lixo espacial. A SpaceX mudou esse paradigma ao projetar propulsores reutilizáveis que podem pousar autonomamente de volta na Terra. A premissa de um veículo espacial de estágio único é eliminar completamente os estágios do foguete, com a promessa de reduzir ainda mais os custos.
Não é fácil contornar o que Hoffman chama de “tirania da equação do foguete”, ou resolver o problema de ter que carregar o peso do combustível para o espaço. A solução da Radian é um trenó movido a foguete que corre ao longo de um trilho de três quilômetros e acelera até Mach 0.7 — 864 km/h — antes de liberar o avião espacial, que então voa para a órbita sob a potência de seus próprios motores.
“Houve várias tentativas de desenvolver veículos de estágio único para órbita,” observa Hoffman. “A Nasa e a Força Aérea tentaram isso no final dos anos 1980 e 1990. Tentaram contornar o problema tendo o que chamam de motor scramjet, que levaria o avião pela atmosfera e queimaria oxigênio de lá em vez de ter que carregá-lo com você. É uma grande ideia, mas tecnicamente é muito difícil construir esse tipo de motor.”
“O que a Radian está fazendo com seu trenó movido a foguete é algo equivalente ao scramjet,” explica Hoffman. “Em outras palavras, tentar obter a aceleração inicial sem queimar seu propelente de foguete. Dessa forma, você contorna algumas das limitações da equação do foguete.”
Caminhonete espacial
A Radian está convencida de que pode superar os obstáculos para um SSTO bem-sucedido graças a três tecnologias-chave.
A primeira é o sistema de lançamento por trenó, que usa seu combustível não apenas para alimentar seus próprios três motores, mas também os do próprio avião espacial, deixando o avião espacial com um tanque cheio logo antes da decolagem. A segunda é o trem de pouso, que é projetado apenas para pouso, e não para decolagem, o que o torna significativamente mais leve. E a terceira são as asas, que estão ausentes em um foguete vertical, mas reduzem a quantidade de empuxo necessária pelo sistema, proporcionando sustentação ao voar em direção à órbita.
“Quando chegarmos à órbita, a analogia mais próxima provavelmente é o ônibus espacial,” diz Holder. “Temos um compartimento menor, mas podemos realizar muitos dos mesmos tipos de missões. E quando voamos de volta para casa, temos uma superfície externa composta mais robusta, o que nos permite reutilizar o sistema várias vezes, com menos requisitos de inspeção e tempos de retorno mais rápidos.”
A Radian diz que seu avião espacial será reutilizável até 100 vezes, carregando uma tripulação de dois a cinco astronautas com um tempo de retorno de 48 horas entre as missões. Um modelo em escala do avião será testado este ano, de acordo com Holder, com uma versão em escala real começando os testes de voo — sem atingir a órbita — em 2028.
Como o ônibus espacial, o Radian One seria capaz de implantar cargas úteis, como satélites, em órbita, ou realizar missões usando equipamentos que ficam no compartimento, como observações da Terra ou vigilância e inteligência para entidades de defesa ou militares.
Mas, Holder acrescenta, o avião também poderia ajudar em operações de ajuda humanitária em áreas de desastre quando, por exemplo, pistas de pouso foram inutilizadas — lançando a carga útil do compartimento em uma reentrada controlada pela atmosfera.
Ele traça uma analogia com um canteiro de obras, onde os foguetes são os caminhões de 18 rodas carregando grandes equipamentos, e o Radian One é a caminhonete trazendo materiais menores e a tripulação. “Acho que sempre haverá espaço para foguetes de lançamento vertical,” ele acrescenta. “Eles vão levar as coisas realmente pesadas.”
Ele está ciente do ceticismo que mais uma tentativa de SSTO enfrentará. O último projeto de alto perfil desse tipo a perder força foi o Skylon da Grã-Bretanha, um avião espacial movido a hidrogênio destinado a decolar de uma pista reforçada e aterrissar de volta na Terra. A empresa por trás do projeto disse no ano passado que um sistema de dois estágios para órbita agora é mais provável.
“Eu não critico aqueles que coçam a cabeça e se perguntam se o estágio único para órbita é viável,” diz Holder. “Demorei cerca de um ano inteiro neste programa para me convencer novamente de que é. Você só precisa ser capaz de se colocar na tecnologia de hoje versus a tecnologia do passado para ver se é ou não viável.”
A grande questão, segundo Hoffman, não é apenas se o SSTO pode ser tecnicamente viável, mas se pode fazer isso a um custo que seja economicamente competitivo com outros sistemas de lançamento, como a nova Starship da SpaceX, que pode levar centenas de pequenas cargas úteis em um único lançamento e fazê-lo a um custo relativamente baixo. “Essa sempre foi a razão para buscar o sonho do estágio único para órbita — em princípio, deveria ser menos caro,” ele disse.
“Espero que eles sejam bem-sucedidos,” acrescentou Hoffman. “Porque definitivamente seria uma primeira vez, tecnicamente — e veremos sobre a economia. Você nunca sabe até que eles demonstrem a capacidade e vejam quem se inscreve para usá-la.”
Imagens da Nasa mostram nuvem de gás poluente se movendo sobre a Terra