Um foguete nuclear revolucionário da NASA poderia reduzir o tempo de viagem à Marte, de 9 meses para apenas 45 dias.
Neste artigo:
Introdução
Vivemos em uma era de exploração espacial renovada, onde várias agências planejam enviar astronautas à Lua nos próximos anos. Isso será seguido na próxima década com missões tripuladas para Marte pela NASA e China, que podem se juntar a outras nações em breve.
Essas e outras missões que levarão os astronautas além da Órbita Baixa da Terra (LEO) e do sistema Terra-Lua exigem novas tecnologias, desde suporte à vida e proteção contra radiação até energia e propulsão.
E quando se trata do último, Propulsão Nuclear Térmica e Elétrica Nuclear (NTP/NEP) é um dos principais candidatos!
A NASA e o programa espacial soviético passaram décadas pesquisando a propulsão nuclear durante a Corrida Espacial.
Há alguns anos, a NASA reacendeu seu programa nuclear com o objetivo de desenvolver a propulsão nuclear bimodal – um sistema de duas partes composto por um elemento NTP e NEP – que poderia permitir trânsitos para Marte em 100 dias.
Como parte do programa NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) para 2023, a NASA selecionou um conceito nuclear para o desenvolvimento da Fase I. Esta nova classe de sistema de propulsão nuclear bimodal usa um “ciclo de topo de rotor de onda” e pode reduzir o tempo de trânsito para Marte para apenas 45 dias.
A proposta, intitulada “Bimodal NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle“, foi apresentada pelo Prof. Ryan Gosse, líder da Área do Programa Hipersônico da Universidade da Flórida e membro da equipe de Pesquisa Aplicada em Engenharia da Flórida (FLARE).
A proposta de Gosse é uma das 14 selecionadas pelo NAIC, este ano, para a Fase I de desenvolvimento, que inclui uma doação de US$ 12.500 para auxiliar no amadurecimento da tecnologia e dos métodos envolvidos. Outras propostas incluíam sensores inovadores, instrumentos, técnicas de fabricação, sistemas de energia e muito mais.
A propulsão nuclear se resume essencialmente a dois conceitos, ambos baseados em tecnologias que foram exaustivamente testadas e validadas.
Para a Propulsão Térmica Nuclear (NTP), o ciclo consiste em um reator nuclear aquecendo o propelente de hidrogênio líquido (LH2), transformando-o em gás hidrogênio ionizado (plasma) que é então canalizado através de bocais para gerar empuxo.
Várias tentativas foram feitas para construir um teste deste sistema de propulsão, incluindo o Project Rover , um esforço colaborativo entre a Força Aérea dos EUA e a Comissão de Energia Atômica (AEC), lançado em 1955.
Em 1959, a NASA substituiu a USAF e o programa entrou em uma nova fase dedicada a aplicações de voos espaciais. Isso eventualmente levou ao Motor Nuclear para Aplicação de Veículo de Foguete (NERVA), um reator nuclear de núcleo sólido que foi testado com sucesso.
Com o encerramento da Era Apollo em 1973, o financiamento do programa foi drasticamente reduzido, levando ao seu cancelamento antes que quaisquer testes de voo pudessem ser realizados. Enquanto isso, os soviéticos desenvolveram seu próprio conceito NTP ( RD-0410 ) entre 1965 e 1980 e realizaram um único teste de solo antes do cancelamento do programa.
A propulsão elétrica nuclear (NEP), por outro lado, depende de um reator nuclear para fornecer eletricidade a um propulsor de efeito Hall (motor de íons), que gera um campo eletromagnético que ioniza e acelera um gás inerte (como o xenônio) para criar impulso. As tentativas de desenvolver esta tecnologia incluem o Projeto Prometheus da Iniciativa de Sistemas Nucleares (NSI) da NASA (2003 a 2005).
Ambos os sistemas têm vantagens consideráveis sobre a propulsão química convencional, incluindo uma classificação mais alta de impulso específico (Isp), eficiência de combustível e densidade de energia virtualmente ilimitada.
Embora os conceitos NEP se destaquem por fornecer mais de 10.000 segundos de Isp, o que significa que podem manter o impulso por quase três horas, o nível de impulso é bastante baixo em comparação com foguetes convencionais e NTP.
A necessidade de uma fonte de energia elétrica, diz Gosse, também levanta a questão da rejeição de calor no espaço – onde a conversão de energia térmica é de 30 a 40% em circunstâncias ideais.
E embora os projetos NTP NERVA sejam o método preferido para missões tripuladas a Marte e além, esse método também apresenta problemas para fornecer frações de massa inicial e final adequadas para missões de alto delta-v.
É por isso que as propostas que incluem ambos os métodos de propulsão (bimodal) são favorecidas, pois combinariam as vantagens de ambos. A proposta de Gosse pede um projeto bimodal baseado em um reator NERVA de núcleo sólido que forneceria um impulso específico (Isp) de 900 segundos, o dobro do desempenho atual dos foguetes químicos.
O ciclo proposto por Gosse também inclui um superalimentador de ondas de pressão – ou Wave Rotor (WR) – uma tecnologia usada em motores de combustão interna que aproveita as ondas de pressão produzidas por reações para comprimir o ar de admissão.
Quando emparelhado com um motor NTP, o WR usaria a pressão criada pelo aquecimento do reator do combustível LH2 para comprimir ainda mais a massa de reação. Como Gosse promete, isso fornecerá níveis de impulso comparáveis aos de um conceito NTP da classe NERVA, mas com um Isp de 1400-2000 segundos. Quando emparelhado com um ciclo NEP, disse Gosse, os níveis de impulso são aprimorados ainda mais:
“Juntamente com um ciclo NEP, o ciclo de trabalho Isp pode ser aumentado ainda mais (1.800-4.000 segundos) com adição mínima de massa seca. Este design bimodal permite o trânsito rápido para missões tripuladas (45 dias para Marte) e revoluciona a exploração do espaço profundo do nosso Sistema Solar.”
Com base na tecnologia de propulsão convencional, uma missão tripulada a Marte pode durar até três anos. Essas missões seriam lançadas a cada 26 meses, quando a Terra e Marte estivessem mais próximos (também conhecido como oposição de Marte) e passariam no mínimo de seis a nove meses em trânsito.
Um trânsito de 45 dias (seis semanas e meia) reduziria o tempo total da missão para meses em vez de anos. Isso reduziria significativamente os principais riscos associados às missões a Marte, incluindo exposição à radiação, tempo gasto em microgravidade e problemas de saúde relacionados.
Além da propulsão, há propostas para novos projetos de reatores que forneceriam uma fonte de energia estável para missões de superfície de longa duração, onde a energia solar e eólica nem sempre estão disponíveis.
Os exemplos incluem o Reator Kilopower da NASA usando a Tecnologia Sterling (KRUSTY) e o reator híbrido de fissão/fusão selecionado para o desenvolvimento da Fase I pela seleção NAIC 2023 da NASA.
Essas e outras aplicações nucleares poderiam algum dia permitir missões tripuladas a Marte e outros locais no espaço profundo, talvez mais cedo do que pensamos!
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