À medida que a humanidade expande suas ambições no espaço profundo, as missões que consomem muita energia não podem se dar ao luxo de depender exclusivamente da combustão ou da energia solar. Elas precisarão de energia nuclear para propulsão e habitação na superfície.

Jake Hecla '17, que ocupa um cargo duplo como professor assistente no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear (NSE) e como Professor de Desenvolvimento de Carreira Charles Stark Draper em Aeronáutica e Astronáutica ( AeroAstro ), está pesquisando maneiras de lidar com um dos principais desafios de transferência de calor em tais implantações de energia nuclear no espaço: a ausência de atmosfera. Ele também está trabalhando em tecnologias para viabilizar a implantação de reatores aeroespaciais, observar suas assinaturas operacionais a longa distância e criar a base técnica para futuros acordos de controle de armas que limitem a militarização desses sistemas.

A próxima geração de reatores nucleares espaciais exige uma potência consideravelmente maior do que as missões anteriores, necessitando da conversão de calor em energia, geralmente utilizando um ciclo Brayton ou Rankine. Essas conversões apresentam eficiências em torno de 30 a 40% em aplicações terrestres — e uma grande quantidade de calor que precisa ser dissipada. Como não há atmosfera para a convecção, os engenheiros utilizam radiadores. No entanto, os painéis de radiadores tradicionais, sejam eles de metal sólido ou compósito, são muito volumosos, um obstáculo significativo para aplicações espaciais.

Um dos projetos de pesquisa de Hecla no MIT aborda as limitações de uma solução alternativa: o radiador de gotículas líquidas (LDR). Proposto inicialmente por pesquisadores da Universidade de Washington no final da década de 1970, o LDR pode ser tão eficaz quanto os radiadores convencionais, especialmente porque seu peso consideravelmente menor é uma vantagem, fazendo com que os radiadores representem apenas uma fração da massa da espaçonave.

Em vez de painéis sólidos, os LDRs utilizam lâminas de gotículas líquidas para irradiar calor. O LDR funciona pulverizando um fluido refrigerante de um emissor para um coletor na forma de lâminas de minúsculas gotículas. À medida que essas gotículas viajam pelo espaço, elas irradiam calor e resfriam. Em seguida, impactam um coletor, que bombeia o fluido refrigerante de volta para a fonte de calor em uma operação cíclica.

O princípio parece simples, mas a recuperação de gotículas é frequentemente complicada por desvios causados por cargas elétricas, respingos no coletor e desalinhamento do emissor. Os engenheiros não podem se dar ao luxo de perder muitas gotículas — taxas de perda aceitáveis seriam de uma gotícula a cada milhão para uma missão de 10 anos — porque isso aumentaria a quantidade de fluido refrigerante que precisaria ser transportada para o espaço. (A taxa pode ser pequena, mas o radiador recircula o fluido refrigerante a cada poucos segundos, o que significa que mesmo uma taxa de perda minúscula se acumula ao longo do tempo.) A Hecla está investigando diversas técnicas de coleta, incluindo coletores eletromagnéticos que podem melhorar a eficiência da recuperação e até mesmo permitir manobras enquanto o radiador está em operação.

Se bem-sucedido, isso poderá reduzir a massa do sistema de refrigeração de um futuro reator nuclear espacial em uma ordem de magnitude. O trabalho aumentará consideravelmente o potencial da energia nuclear no espaço e poderá expandir sua utilidade para incluir também projetos em órbita baixa da Terra.

Com sua nomeação como professor assistente, a carreira de Hecla completa um ciclo desde seus tempos de graduação como aluno da NSE.

Desde cedo, ele demonstrou especial interesse em técnicas de detecção de radiação devido à sua utilização em diversas aplicações práticas.

Esse interesse específico nasceu durante uma viagem marcante da infância ao Novo México, que incluiu uma visita a uma loja de rochas e minerais. Hecla lembra-se de ter ficado fascinado pelos produtos, que incluíam minério de urânio. Ele ficou cativado. Hecla pesquisou sobre o assunto, comprou e construiu um contador Geiger por conta própria. "Durante todo o ensino médio, eu comprava e consertava equipamentos de radiação em casa. Colecionei equipamentos de alta voltagem, construí um sistema de raios X caseiro e, a partir daí, foi só ladeira abaixo", diz Hecla.

Essa paixão por medir radiação se estendeu ao MIT. Um dos projetos de pesquisa de graduação de Hecla envolveu o desenvolvimento de um protótipo de uma unidade de raios X acionada por fotocátodo, em colaboração com o Hospital Geral de Massachusetts. A equipe de pesquisa com a qual ele trabalhou formou uma startup chamada Advanced Tomography Systems . Como parte de outro programa de oportunidades de pesquisa para alunos de graduação (UROP), Hecla trabalhou com Areg Danagoulian , professor associado da NSE, em uma nova abordagem para verificação de tratados.

Durante sua passagem pelo MIT, outro evento marcante consolidaria o profundo compromisso de Hecla com a medição da radiação: um amigo, Carl Willis , hoje professor na Universidade do Novo México, convidou Hecla para viajar a Chernobyl. "Foi para entender melhor a realidade de viver e trabalhar em um ambiente contaminado", diz Hecla.

A experiência o abalou profundamente — e ele visitou o local diversas outras vezes durante sua graduação. Desde 2017, Hecla atua como consultor científico do Clean Futures Fund , uma organização sem fins lucrativos sediada nos EUA que garante que as atividades na zona de exclusão e na usina nuclear sejam o mais bem abastecidas possível, fornecendo itens essenciais básicos, equipamentos de proteção individual e equipamentos de detecção.

“Chernobyl tem muito a nos ensinar, tanto sobre a necessidade de dedicação à segurança na energia nuclear quanto sobre o gerenciamento das consequências da liberação de radiação”, diz Hecla. “É um ambiente extremamente desafiador, onde uma pequena quantidade de trabalho bem fundamentado pode ter um impacto desproporcional.”

Chernobyl também forneceu o contexto para os estudos de pós-graduação de Hecla na Universidade da Califórnia em Berkeley, onde ele estudou técnicas de imageamento por radiação. Para seu mestrado, o objetivo era usar um detector de radiação móvel para reconstruir uma imagem tridimensional que informasse os trabalhadores sobre a intensidade da radiação, para que pudessem ser criteriosos em relação à exposição.

Outra área de detecção de radiação, a detecção de antineutrinos como indicador de fissão nuclear, fundamentou sua pesquisa de doutorado — a tese de doutorado de Hecla foi intitulada “Diagnóstico Óptico para Meios Detectores de Antineutrinos” — orientada por Kai Vetter . O objetivo era usar as partículas como uma assinatura essencialmente não blindável da operação do reator.

Como demonstrou a pesquisa de pós-graduação de Hecla, o uso de assinaturas de radiação é uma maneira eficaz de rastrear quando a energia nuclear está sendo mal utilizada.

O trabalho da Hecla em aplicações aeroespaciais da energia nuclear abrange tanto a melhoria da viabilidade de reatores espaciais quanto o aprimoramento de nossa capacidade de monitorar aplicações orbitais e suborbitais da energia nuclear.

Sua pesquisa atual se concentra na compreensão e no rastreamento da propulsão nuclear atmosférica, uma técnica na qual o calor de um reator é usado para propulsão. Hecla se interessou particularmente pelo projeto quando, em 2018, o governo russo anunciou que estava desenvolvendo um míssil de propulsão nuclear e ogiva nuclear, o 9M730 Burevestnik, que representaria uma ameaça direta à segurança da Europa.

Dizia-se que o míssil era movido por um motor nuclear de combustão interna, permitindo voos de extrema duração. Em 2019, um acidente com o sistema matou pelo menos cinco cientistas e gerou uma nuvem de radionuclídeos que se espalhou pelo Mar Branco, confirmando indiretamente que os russos estavam empenhados no desenvolvimento do míssil.

Entre 2023 e 2025, como bolsista de pós-doutorado Stanton no Laboratório de Segurança e Política Nuclear do MIT, trabalhando com R. Scott Kemp , Hecla desenvolveu técnicas que permitiram compreender o envelope de desempenho e as assinaturas de voo do sistema de propulsão nuclear do míssil. Essas informações poderiam ser usadas para limitar ou proibir o uso de tais sistemas militares, ou contribuir para novas contramedidas.

Em conjunto com colegas do MIT, Hecla está desenvolvendo técnicas para detectar a presença de armas nucleares através do estudo do campo neutro induzido por raios gama provenientes de satélites, que podem fornecer informações sobre a presença de material físsil. Tal sistema é especialmente relevante considerando o Kosmos 2553, um satélite lançado pela Rússia em 2022 que, segundo a inteligência americana, contém componentes de uma arma nuclear. 

A ameaça das armas nucleares no espaço é imensa. "Alguém pode achar vantajoso destruir a maioria dos ativos em órbita terrestre baixa e média se isso lhe der vantagem em um combate", diz Hecla. Como parte desse trabalho, os pesquisadores buscam desenvolver um telescópio de nêutrons compacto e altamente sensível para detectar e localizar a fonte de nêutrons como forma de detectar atividade nuclear.

A maior parte do trabalho da Hecla, incluindo os projetos de gerenciamento térmico espacial, situa-se na interseção dos campos nuclear e aeroespacial ou aeronáutico.

Hecla está muito feliz por estar de volta ao MIT, onde tudo começou. "Temos aqui a combinação certa de talentos, que é forte e está em constante crescimento", diz ele. "E entre instalações de classe mundial como o MITR-II ( Reator de Pesquisa Nuclear do MIT ), o PSFC ( Centro de Ciência e Fusão de Plasma) e as pessoas, este é absolutamente o melhor lugar para pesquisa", afirma Hecla.