O Projeto Rover foi um programa dos Estados Unidos para desenvolver um motor de foguete termonuclear, conduzido de 1955 a 1973 no Laboratório Nacional de Los Alamos (LASL). Iniciado como um projeto da Força Aérea dos Estados Unidos para criar um estágio superior movido a energia nuclear para um míssil balístico intercontinental (ICBM), o projeto foi transferido para a NASA em 1958, após a Crise do Sputnik desencadear a Corrida Espacial. Gerenciado pelo (SNPO), uma agência conjunta da Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos (AEC) e da NASA, o Projeto Rover passou a integrar o programa Motor Nuclear para Aplicação em Veículos de Foguetes (NERVA), focando na pesquisa de reatores nucleares para foguetes, enquanto o NERVA lidava com o desenvolvimento e implantação de motores nucleares e o planejamento de missões espaciais. Os reatores do Projeto Rover foram construídos na Área Técnica 18 (TA-18) do LASL, também conhecida como Sítio do Cânion Pajarito. Eles eram testados em baixa potência no local e, posteriormente, enviados para a Área 25 (conhecida como Jackass Flats) no Local de Testes de Nevada da AEC. Testes de elementos de combustível e ciência de materiais eram realizados pela Divisão N do LASL na TA-46, utilizando fornos e, mais tarde, um reator de teste personalizado, o Nuclear Furnace. O projeto resultou no desenvolvimento de três tipos de reatores: Kiwi (1955 a 1964), Phoebus (1964 a 1969) e Pewee (1969 a 1972). Kiwi e Phoebus eram reatores grandes, enquanto o Pewee era significativamente menor, adaptado ao orçamento reduzido disponível após 1968.
Os reatores utilizavam urânio altamente enriquecido como combustível, com hidrogênio líquido servindo como propelente e refrigerante do reator. e berílio eram usados como moderador de nêutrons e refletor de nêutrons. O controle dos motores era feito por tambores com grafite ou berílio de um lado e boro (um ) do outro, ajustando o nível de energia pela rotação dos tambores. Como o hidrogênio também atua como moderador, o aumento do fluxo de propelente elevava a potência do reator sem a necessidade de ajustar os tambores. Os testes demonstraram que os motores nucleares podiam ser desligados e reiniciados várias vezes sem dificuldades e podiam ser agrupados para maior empuxo. Sua impulso específico (eficiência) era aproximadamente o dobro dos foguetes químicos.
O projeto contou com forte apoio político do influente presidente do , o senador , de Novo México (onde ficava o LASL), e de seus aliados, os senadores , de Nevada, e Margaret Chase Smith, de Maine. Esse apoio permitiu que o projeto sobrevivesse a várias tentativas de cancelamento, que se intensificaram com os cortes de custos durante a escalada da Guerra do Vietnã e após o fim da corrida espacial com o pouso na Lua da Apollo 11. Apesar disso, os projetos Rover e NERVA foram cancelados em janeiro de 1973, e nenhum dos reatores chegou a ser utilizado em voo.
Início
Primeiros conceitos Durante a Segunda Guerra Mundial, cientistas do Projeto Manhattan no Laboratório de Los Alamos, como Stan Ulam, Frederick Reines e Frederic de Hoffmann, especularam sobre o desenvolvimento de foguetes movidos a energia nuclear. Em 1947, Ulam e Cornelius Joseph "C. J." Everett publicaram um artigo propondo o uso de bombas atômicas como meio de propulsão de foguetes, ideia que serviu de base para o Projeto Orion. Em dezembro de 1945, Theodore von Karman e Qian Xuesen elaboraram um relatório para as Forças Aéreas do Exército dos Estados Unidos, no qual, embora considerassem a ideia inviável na época, Tsien sugeriu que foguetes nucleares poderiam, no futuro, lançar satélites em órbita.
Em 1947, o Laboratório de Aerofísica da North American Aviation publicou um extenso estudo abordando os desafios de usar reatores nucleares para propelir aviões e foguetes. O estudo focava em uma aeronave com alcance de e carga útil de , abordando turbobombas, estrutura, tanques, aerodinâmica e projeto de reator nuclear. Concluiu-se que o hidrogênio era o melhor propelente e que o grafite seria o melhor moderador de nêutrons, mas a temperatura operacional proposta de excedia as capacidades dos materiais disponíveis, tornando os foguetes nucleares impraticáveis na época.
No Reino Unido, após a revelação pública da energia atômica ao fim da guerra, , engenheiro-chefe da divisão de foguetes da De Havilland, e Leslie Shepard, físico nuclear da Universidade de Cambridge, consideraram independentemente o problema da propulsão nuclear de foguetes. Eles colaboraram e, em uma série de artigos publicados no Journal of the British Interplanetary Society em 1948 e 1949, delinearam o projeto de um foguete nuclear com um trocador de calor de grafite de núcleo sólido. Concluíram, relutantemente, que os foguetes nucleares eram essenciais para a exploração espacial profunda, mas ainda não eram tecnicamente viáveis.
Relatório Bussard Em 1953, , físico do projeto Energia Nuclear para Propulsão de Aeronaves (NEPA) no Laboratório Nacional de Oak Ridge, escreveu um estudo detalhado. Ele se baseou nos trabalhos de Cleaver e Shepard, de Tsien, e em um relatório de fevereiro de 1952 da Consolidated Vultee. Utilizando dados de foguetes químicos existentes e especificações de componentes, Bussard baseou seus cálculos no estado da arte dos reatores nucleares. O estudo considerou várias faixas de alcance e tamanhos de carga útil, superando as conclusões pessimistas da Consolidated, que se limitavam a um intervalo estreito de possibilidades.
O relatório, intitulado Nuclear Energy for Rocket Propulsion (Energia Nuclear para Propulsão de Foguetes), destacou que a propulsão nuclear não é limitada por considerações de energia de combustão, permitindo o uso de propelentes de baixo peso molecular, como o hidrogênio puro. Enquanto um motor convencional alcançava uma velocidade de exaustão de , um motor nuclear com hidrogênio poderia atingir nas mesmas condições. Bussard propôs um reator moderado por grafite devido à sua resistência a altas temperaturas e concluiu que os elementos de combustível precisariam de revestimento protetor para resistir à corrosão pelo hidrogênio propelente.
Inicialmente, o estudo teve pouco impacto, pois apenas 29 cópias foram impressas, e ele foi classificado como . Em dezembro de 1953, foi publicado no Journal of Reactor Science and Technology de Oak Ridge, ainda classificado, mas com maior circulação. , vice-diretor do LASL, e Herbert York, diretor do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, demonstraram interesse e criaram comitês para investigar a propulsão nuclear de foguetes. Froman convidou Bussard para colaborar com o LASL por uma semana por mês.
Aprovação O estudo de Bussard atraiu a atenção de John von Neumann, que formou um comitê ad hoc sobre Propulsão Nuclear de Mísseis, presidido por , vice-diretor de Livermore, com membros como Norris Bradbury do LASL, Edward Teller e Herbert York de Livermore, do National Advisory Committee for Aeronautics (NACA - Centro de Pesquisa John H. Glenn) e da Ramo-Wooldridge.
Após avaliar vários projetos, o comitê recomendou o desenvolvimento de um estágio superior nuclear para um míssil balístico intercontinental (ICBM). York criou uma nova divisão em Livermore, e Bradbury estabeleceu a Divisão N no LASL, liderada por Raemer Schreiber. Em março de 1956, o (AFSWP) recomendou alocar US$ 100 milhões ($ milhões em ) ao projeto de motor nuclear de foguete ao longo de três anos, para que os dois laboratórios conduzissem estudos de viabilidade e construíssem instalações de teste.
Eger V. Murphree e , da Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos, foram mais cautelosos. O programa do míssil Atlas avançava bem, e com ogivas nucleares menores, mais leves e mais potentes, a necessidade de um novo estágio superior parecia fraca. Contudo, o projeto ganhou um forte aliado político no senador Clinton P. Anderson, do Novo México, vice-presidente do Comitê Conjunto de Energia Atômica do Congresso dos Estados Unidos, próximo de von Neumann, Bradbury e Ulam, que garantiu o financiamento.
Todo o trabalho no foguete nuclear foi consolidado em Los Alamos, sob o codinome Projeto Rover, enquanto Livermore ficou responsável pelo desenvolvimento do ramjet nuclear, codinome . O Projeto Rover foi dirigido por um oficial da ativa da Força Aérea destacado para a AEC, o tenente-coronel Harold R. Schmidt, subordinado a outro oficial da Força Aérea, o coronel Jack L. Armstrong, que também gerenciava o Pluto e os projetos (SNAP).
Conceitos de projeto
Em princípio, o projeto de um motor de foguete termonuclear é relativamente simples: uma turbobomba força o hidrogênio através de um reator nuclear, onde é aquecido a temperaturas muito altas e, em seguida, expelido por um para gerar empuxo. No entanto, desafios significativos logo se tornaram evidentes. O primeiro era encontrar um meio de controlar a temperatura e a potência do reator. O segundo era desenvolver uma forma de armazenar o propelente. A única maneira prática de armazenar hidrogênio era na forma líquida, exigindo temperaturas abaixo de . O terceiro desafio era que o hidrogênio seria aquecido a cerca de , demandando materiais capazes de suportar tais temperaturas e resistir à corrosão pelo hidrogênio.
O hidrogênio líquido era teoricamente o melhor propelente possível, mas, no início dos anos 1950, era caro e disponível apenas em pequenas quantidades. Em 1952, a AEC e o National Bureau of Standards abriram uma fábrica perto de Boulder, Colorado, para produzir hidrogênio líquido para o programa de armas termonucleares. Antes de optar pelo hidrogênio líquido, o LASL considerou outros propelentes, como metano () e amônia (). A amônia, usada em testes de 1955 a 1957, era barata, fácil de obter, líquida a , e fácil de bombear e manipular. Contudo, era muito mais pesada que o hidrogênio líquido, reduzindo o impulso do motor; também se mostrou mais corrosiva e apresentava propriedades neutrônicas indesejáveis.
Para o combustível, foram considerados plutônio-239, urânio-235 e urânio-233. O plutônio foi descartado porque, embora forme compostos facilmente, não alcançava temperaturas tão altas quanto as do urânio. O urânio-233 foi seriamente considerado, pois, em comparação com o urânio-235, é ligeiramente mais leve, possui maior número de nêutrons por evento de fissão e alta probabilidade de fissão, o que poderia reduzir o peso do combustível. No entanto, suas propriedades radioativas dificultavam o manuseio, e ele não estava prontamente disponível. Assim, o urânio altamente enriquecido foi escolhido.
Para os materiais estruturais do reator, a escolha recaiu sobre grafite ou metais. Entre os metais, o tungstênio destacou-se, mas era caro, difícil de fabricar e apresentava propriedades neutrônicas indesejáveis. Para contornar isso, propôs-se o uso de tungstênio-184, que não absorve nêutrons. O grafite foi escolhido por ser barato, tornar-se mais resistente a temperaturas de até e sublimar em vez de derreter a .
Para controlar o reator, o núcleo era cercado por hastes de controle revestidos com grafite ou berílio (um moderador de nêutrons) de um lado e boro (um veneno nuclear) do outro. A potência do reator podia ser ajustada pela rotação dos tambores. Para aumentar o empuxo, bastava incrementar o fluxo de propelente. O hidrogênio, seja puro ou em compostos como a amônia, é um moderador nuclear eficiente, e o aumento do fluxo elevava a taxa de reações no núcleo, compensando o resfriamento proporcionado pelo hidrogênio. À medida que o hidrogênio se aquece, ele se expande, reduzindo a quantidade no núcleo para remover calor, estabilizando a temperatura. Esses efeitos opostos estabilizam a reatividade, tornando o motor de foguete nuclear naturalmente muito estável, com o empuxo facilmente controlado ao variar o fluxo de hidrogênio sem alterar os tambores de controle.