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Armas a laser se tornam reais

Fibras ópticas viabilizam armas antes restritas à ficção científica

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Andy Extancee revista Nature

 

O avião robótico (drone) desliza silenciosamente acima do terreno árido do Novo México, até subitamente girar fora de controle e mergulhar no chão.

Em seguida, uma barragem de morteiros dispara de seu lançador, forma um amplo arco no céu e começa a descer rumo ao seu alvo, só para se incendiar e explodir em pleno voo.

No chão do deserto, montado sobre grande caminhão cor de areia, um mecanismo cúbico gira sobre um eixo e dispara uma sequência de raios invisíveis de infravermelho contra o alvo.

Esse chamado Demonstrador Móvel de Laser de Alta Energia (High Energy Laser Mobile Demonstrator, HEL MD) é o protótipo de um arma desenvolvida pela gigante aeroespacial Boeing de Chicago, Illinois, para o Exército dos Estados Unidos.

Dentro do caminhão, Stephanie Blount, engenheira eletrofísica da Boeing, olha fixamente para os alvos na tela de seu laptop e direciona o laser usando um controlador de games portátil.

Isso parece bem natural: armas a laser são parte integrante de modernos jogos de videogame, e múltiplas armas que disparavam algum tipo de raio foram comuns durante décadas em filmes de ficção científica, antes que o primeiro laser do mundo real fosse demonstrado em 1960.

Mas agora elas já não são mais fantasia.

O protótipo da Boeing é apenas uma das várias armas desse tipo desenvolvidas nos últimos anos tanto nos Estados Unidos como na Europa, em grande parte graças ao advento de lasers relativamente baratos, portáteis e robustos que geram seus raios por meio de fibras ópticas.

A energia liberada por essas armas de fibra é medida em quilowatts (kW), algumas ordens de grandeza a menos que os dispositivos de classe megawatt vislumbrados no passado para a Iniciativa de Defesa Estratégica dos Estados Unidos, um plano da Guerra Fria que acabou fracassando e que tentou usar lasers para neutralizar ou incapacitar mísseis balísticos que transportassem ogivas nucleares.

Mas as armas modernas, menos ambiciosas, estão prestes a ser utilizadas no mundo real.

Testes como os do sistema Boeing mostram que os lasers têm poder suficiente para superar ameaças de grupos terroristas, a uma fração do preço de defesas convencionais.

“Eles são uma solução muito eficaz em termos de custo-benefício para destruir armas baratas como pequenos morteiros ou foguetes feitos com tubulações de esgoto”, compara Blount.

No final de 2014, por exemplo, a Marinha americana mostrou que um sistema de arma a laser montado em um navio e chamado LaWS [sigla de Laser Weapon System] podia neutralizar pequenas embarcações, como as usadas por terroristas e piratas.

Atualmente, essa arma experimental está instalada no USS Ponce, um navio anfíbio de suporte no Golfo Pérsico.

Ainda persistem muitos desafios para uma implantação em larga escala, advertem seus criadores, desde a necessidade de aumentar a potência das armas até a dificuldade de operar um laser em situações de névoa e nuvens.

Mas especialistas em defesa e segurança estão começando a levar lasers a sério.

Após quase meio século de intensos esforços, as forças armadas americanas hoje estão prestes a lançar armas operacionalmente relevantes de energia dirigida, de acordo com Paul Scharre, especialista em tecnologia avançada no Centro para uma Nova Segurança Americana (CNAS), com sede em Washington, em relatório sobre armas a laser e divulgado em abril.

O dilema da potência

Armas a laser têm fascinado desenvolvedores de armamentos há muito tempo, em particular durante o auge da Iniciativa de Defesa Estratégica, apelidada Star Wars, nas décadas de 80 e 90.

Os gastos dos Estados Unidos em pesquisas de armas a laser culminou em 1989 quando, de acordo com o relatório do CNAS, o governo investiu o equivalente a US$ 2,4 bilhões em valores de 2014. Desde então, o financiamento tem sido mais modesto.

A meta original, no entanto, de poder abater mísseis balísticos que se aproximam, provou ser inatingível.

O truque com qualquer arma a laser é focar sua energia em um ponto suficientemente pequeno para aquecer e danificar o alvo — e fazer isso com uma máquina compacta e portátil o bastante para ser utilizada em campo de batalha.

Mas isso é mais fácil de teorizar que fazer.

Em 1996, por exemplo, a Força Aérea dos Estados Unidos iniciou o projeto Airborne Laser (Laser Aerotransportado, em tradução literal) como uma de suas contribuições para a defesa contra mísseis balísticos.

Como à época era impossível gerar energia de megawatts de potência óptica necessários, cientistas optaram por um laser químico de oxigênio-iodo (COIL, em inglês) que podia ser alimentado por uma reação química.

Mas o COIL era tão volumoso e desajeitado que só podia ser transportado em um Boeing 747, deixando pouco espaço para combustível laser.

“Ele exigia unidades remotas de mistura e substâncias químicas que pesavam dezenas de milhares de quilos”, explica Paul Shattuck, diretor de sistemas de energia dirigida da Lockheed Martin Space Systems, que forneceu a tecnologia de controle do raio [laser] do projeto.

Outro grande problema era a atmosfera, informa Phillip Sprangle, cientista sênior de física de energia dirigida no Laboratório de Pesquisa Naval em Washington D.C.

O raio não só era disperso por poeira e turbulência natural, mas sua passagem causava “floração térmica”, explica ele.

Quando o raio se propagava a potências muito elevadas, “a atmosfera absorvia a luz laser aquecendo o ar e fazendo com que o raio se espalhasse”, explica Sprangle. Essa difração, por sua vez, dissipava a energia do laser.

A boa notícia para o projeto Airborne Laser foi que, pelo menos esse problema tinha uma solução: a tecnologia de óptica adaptativa, similar à usada por astrônomos para clarificar sua visão de estrelas (ver Nature 517, 430–432; 2015, em inglês).

Essa tecnologia utiliza espelhos para distorcer automaticamente o raio laser  e elimimar os efeitos de turbulência, com o mesmo resultado que um par de óculos que corrige aberrações oculares.

“À medida que o raio laser passa pela atmosfera, ele fica mais definido e está perfeito quando atinge o destino”, explica Shattuck.

Em 2010, a óptica adaptativa estava suficientemente aprimorada para o Airborne Laser destruir um míssil balístico em pleno voo.

Mas à época, problemas logísticos, como tamanho, haviam levado o Departamento da Defesa (DoD) a perder seu entusiasmo por armas de energia em geral, levando-o a cancelar o programa Airborne Laser definitivamente no início de 2012.

Ao mesmo tempo, os gastos do DoD em lasers de alta energia em geral despencava: de US$ 961 milhões em 2007, para 344 milhões em 2014.

Fibras em foco

O dinheiro não desapareceu inteiramente: a atenção já estava se desviando para lasers de fibra [óptica] como meio para produzir resultados mais economicamente.

Esse lasers foram inventados em 1963 e, desde a década de 90, têm sido aprimorados quase inteiramente pela IPG Photonics, em Oxford, Massachusetts.

Enquanto outros lasers de estado sólido utilizam hastes rígidas, pranchas ou discos de cristal para gerar o raio e, portanto, têm de ser bastante grandes, lasers de fibra usam finíssimas fibras ópticas que podem ser enroladas em espirais, ou bobinas compactas (ver “Poder da fibra”).

Essas fibras podem captar sua energia óptica de versões mais brilhantes dos diodos de laser baratos usados em leitores de DVD e então amplificar a luz para uma potência mais alta, com eficiências gerais de conversão elétrica para óptica superiores a 30%.

Isso é pelo menos o dobro da eficiência típica de outros lasers de estado sólido e bem próximo da de lasers químicos como o COIL. E, por serem intrinsecamente longas e finas, as fibras têm uma elevada proporção de área superficial para volume e podem irradiar calor residual para longe muito rapidamente, uma capacidade que ajuda a dar aos lasers uma longa vida útil e baixa exigência de manutenção.

 

 
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Inicialmente, essas vantagens chamaram atenção durante a década de 90, quando lasers de fibra começaram a ser usados para intensificar sinais ópticos que transportavam dados de internet através de cabos submarinos.

Mas desde o início dos anos 2000, a IPG tem se concentrado no desenvolvimento de lasers industriais da classe quilowatt para soldagem, perfuração e corte, dispositivos que também atraíram a atenção de pesquisadores militares.

Por volta de 2010, relembra Shattuck, ele e seus colegas na Lockheed Martin escutaram falar de civis israelenses sendo alvos de foguetes lançados da Faixa de Gaza.

“O prefeito de um vilarejo se manifestou e disse: ‘Por favor, me deem algum tipo de defesa’”, conta Shattuck. Isso inspirou a Lockheed Martin a desenvolver o sistema Área de Defesa Anti-Munições (ADAM, na sigla em inglês), que emprega um laser comercialmente disponível de 10 kW da IPG para manter os custos baixos.

Desde 2012, a empresa mostrou que o ADAM é capaz de destruir alvos como barcos, drones e foguetes simulados de pequeno calibre de uma distância de aproximadamente 1,5 km.

Embora relute em revelar o preço do ADAM, ou se alguém comprou um sistema desses, a Lockheed Martin agora anunciou estar pronta para fornecê-lo a clientes.

Stephanie Blount é menos reticente sobre o protótipo HEL MD da Boeing, que também utiliza um laser de fibra comercial de 10 kW.

Ela explica que, como o sistema extrai sua energia do motor do veículo ou de um gerador separado, “são necessárias menos de duas ‘xícaras’ de combustível para disparar o laser por tempo suficiente para incapacitar muitos alvos”.

Isso torna seu uso muito mais barato para defesa que mísseis convencionais.

“Um míssil de baixo custo gira em torno de US$ 100 mil e isso é para um único disparo”, informa David DeYoung, diretor de sistemas de energia dirigida da Boeing. “Disparar um sistema de arma a laser uma única vez custa menos de US$ 10”.

Blount salienta que o ressurgimento de armas a laser se deu graças tanto a sistemas avançados de reconhecimento de imagem e mira como ao próprio laser.

“Quanto melhores os sistemas de pontaria e rastreamento, mais capaz você é de apontar o raio no ponto mais vulnerável de um alvo”, resume ela.

Graças à pontaria informatizada, o HEL MD pode operar de modo totalmente autônomo, o que a Boeing testou com êxito em maio 2014, embora os ensaios tenham revelado um desafio inesperado.

O raio laser disparado da arma é silencioso e invisível, e nem todos os alvos explodem quando são destruídos; consequentemente, uma batalha automatizada pode ter terminado antes que os operadores notem qualquer coisa.

“Os combates são rápidos e, a menos que esteja olhando para uma tela ininterruptamente, 24 horas por dia, sete dias por semana, você nunca os verá”, diz Blount. “Por isso embutimos um sistema sonoro para escutarmos sempre que disparamos o laser. Pretendemos aproveitar muitos ‘sons’ de ‘Jornada nas Estrelas’ e ‘Guerra nas Estrelas’”, acrescenta.

Força numérica

A capacidade de mirar e atingir o alvo podem estar prontas para uma batalha, mas a potência continua sendo um problema.

Um laser comercial de 10 kW se situa na extremidade inferior do que é útil para armas a laser. E utilizar fibras impõe limites à potência e qualidade de um raio, inclusive porque em potências elevadas a cascata de fótons que dispara através da fibra pode aquecê-la mais rápido do que ela é capaz de irradiar a energia e, portanto, pode causar danos.

Para evitar isso, pesquisadores estão trabalhando para combinar a liberação e energia de vários lasers.

A forma ideal para fazer isso seria uma ‘combinação coerente’, na qual as ondas de cada laser se movem juntas em uma formação firmemente sincronizada.

Essa técnica é amplamente utilizada em aplicações de rádio e micro-ondas, explica Tso Yee Fan, um cientista de laser no Laboratório Lincoln, orientado para a defesa, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), em Lexington.

Mas a coerência é muito mais difícil de alcançar com luz visível e infravermelha.

As ondas de cada laser precisam ter comprimentos de onda quase idênticos, os planos de suas oscilações têm de se alinhar com precisão, e os altos e baixos [cristas e depressões] de cada onda precisam coincidir.

“Em radiofrequência ou micro-ondas, o comprimento de onda tem poucos centímetros”, argumenta Fan. “Em óptica, ele mede cerca de um micrometro; portanto, alcançar esses tipos de controles tem sido realmente difícil”.




Mas isso talvez não tenha muita importância, pondera Phillip Sprangle.

Em 2006, ele e sua equipe relataram simulações computadorizadas sugerindo que uma “combinação incoerente” de vários raios de laser de fibra atingindo um único ponto seria quase tão eficaz quanto uma combinação coerente.

De acordo com ele, com qualquer uma das abordagens “quando você está propagando por longas distâncias através de turbulência atmosférica, você obtém aproximadamente a mesma potência sobre o alvo”.

Em 2009, seu grupo confirmou essa teoria ao usar espelhos para combinar quatro raios de fibra de laser para formar um ponto de cinco centímetros em um alvo a mais de três quilômetros de distância.

Com base no trabalho de Sprangle, o Escritório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos desenvolveu o LaWS de 30 kW, que combina incoerentemente seis fibras de lasers comerciais.

Esse sistema, instalado no USS Ponce desde setembro de 2014, foi testado em objetos como pequenos barcos e drones.

A empresa alemã especialista em mísseis MBDA Germany, com sede em Schrobenhausen, adotou uma abordagem similar.

Em outubro de 2012, a empresa utilizou, com êxito, seu sistema de raio [laser] de fibras ópticas combinadas de 40 kW para destruir modelos de projéteis de artilharia rebocados através do ar a cerca de 2 km de distância.

Os testes da MBDA também ajudaram a provar que a noção de ficção científica de que uma blindagem reflexiva defenderia contra armas a laser é equivocada.

Eles descobriram que qualquer poeira na superfície espelhada passaria por rápida combustão, levando à destruição do alvo até mais rápido do que com uma superfície não reflexiva.

Markus Martinstetter do Diretório de Sistemas Futuros da MBDA argumenta que a pontaria de alta precisão minimiza as chances de ferir acidentalmente pessoas inocentes durante a tentativa de abater alvos, especialmente em comparação com explosivos convencionais.

“Não há risco de munição fragmentada e só iniciamos a irradiação quando o ponto de mira está exatamente no alvo”, explica ele.

A Lockheed Martin também está trabalhando em armas a laser que podem visar alvos mais complexos ou distantes do que seu sistema ADAM de baixo custo é capaz de neutralizar.

Em março, por exemplo, a empresa informou que seu sistema Advanced Test High Energy Asset (conhecido simplesmente como ATHENA) pôde incapacitar/destruir o motor em funcionamento de uma caminhonete montada sobre uma plataforma de teste.

O ATHENA utiliza um sistema adaptativo-óptico similar ao Airborne Laser, combinado com o sistema ALADIN (sigla, em inglês para Accelerated Laser Demonstration Initiative) de laser de fibras ópticas.

O ALADIN combina o output de vários lasers de fibra, cada um com um comprimento de onda ligeiramente diferente, em um único raio de 30 kW.

Essa abordagem de um “raio de comprimentos de onda combinados” se originou no Laboratório Lincoln e é similar a métodos que canalizam o tráfego da internet para dentro de cabos de fibra óptica.

Tso Yee Fan salienta que esse método é mais fácil que a combinação coerente, mas produz raios de melhor qualidade que a combinação incoerente podendo, portanto, atingir alvos menores a distâncias maiores.

Jason Ellis, um pesquisador visitante no CNAS e autor principal do relatório “think tank” sobre armas a laser, reconhece que esses desenvolvimentos o convencem de que armas de fibra de laser estão atingindo a “maioridade” e que novos e emergentes avanços poderiam levá-las a centenas de quilowatts e ampliar seu alcance para centenas de quilômetros.

Apesar desses progressos, uma pesquisa entre especialistas em segurança nacional americana, realizada em fevereiro de 2014, constatou que apenas 20% deles acreditavam que tecnologias de armas de energia dirigida estariam “maduras” em uma década.

Michael Carter, gerente de programa para ciência fotônica no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, em Livermore, na Califórnia, adverte que os atuais lasers estão muito distantes de suas versões em ficção científica.

“Eles ainda não são os phasers [as armas a laser] de Jornada nas Estrelas”, resume ele. “As pessoas falam de confrontos ‘na velocidade da luz’, mas ainda leva tempo para demolir alvos. No nível mais básico, se você não pode vê-lo, porque há chuva ou névoa demais, seu laser não pode atingi-lo”.

Para Carter, a importância da atual geração de sistemas de demonstração pode ser descobrir como lidar com esses desafios mais abrangentes antes que surjam lasers melhores.

“Não confunda o que estão fazendo no USS Ponce com uma nova superioridade estratégica”, adverte ele. “Pode ser o primeiro passo nessa direção, mas isso não vai mudar o jogo por si só”.

Até as empresas de armamentos se mostram cautelosas para não exagerar suas criações.

A MBDA, por exemplo, espera que ainda leve de 3 a 5 anos para sistemas verdadeiramente operacionais aparecerem no raio de ação de meras dezenas de quilowatts. E, em algumas circunstâncias, como um dia nevoento, armas convencionais sempre serão mais eficientes.

“Oferecemos as duas alternativas aos defensores do futuro e colocamos a escolha nas mãos deles”, recomenda David DeYoung.

Apesar de suas modestas capacidades, Paul Scharre do CNAS acredita que armas a laser de fibra óptica poderiam encontrar um nicho na defesa militar americana em um prazo de 5 a 10 anos.

“Elas podem não ser tão grandiosas e estratégicas como o conceito em Guerra nas Estrelas, mas poderiam salvar vidas, proteger bases, navios e membros do serviço militar americano”, resume.

 

Publicado em Scientific American em 28 de maio de 2015.