Vivemos em uma era de reexploração do espaço, com várias agências planejando enviar astronautas para lá a lua nos próximos anos. Isso deve ser seguido por missões tripuladas na próxima década Marte pela NASA e China, que outras nações podem em breve aderir.
Essas e outras missões que levarão os astronautas além da Órbita Baixa da Terra (LEO) e do sistema Terra-Lua exigirão novas tecnologias, desde suporte à vida e proteção contra radiação até energia e propulsão.
E quando se trata deste último Propulsão térmica nuclear 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.
Alguns anos atrás, a NASA retomou seu programa nuclear com o objetivo de desenvolver um sistema de propulsão nuclear bimodal – um sistema de duas partes composto por um elemento NTP e um elemento NEP – que poderia permitir trânsitos Marte em 100 dias.
Como parte do Conceitos avançados inovadores da NASA (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 cobertura do rotor de onda” e poderia encurtar o tempo de trânsito para Marte para apenas 45 dias.
A proposta intitulada “NTP/NEP bimodal com um ciclo de topo de rotor de onda”, foi apresentado pelo Prof. Ryan Gosse, diretor de área do programa Hypersonics da Universidade da Flórida e membro do Pesquisa Aplicada em Engenharia da Flórida (FLARE).
A proposta de Gosse é uma das 14 selecionadas pelo NAIC este ano para o desenvolvimento da Fase I, que inclui uma doação de US$ 12.500 para ajudar a amadurecer a tecnologia e os métodos envolvidos. Outras propostas incluíam sensores inovadores, instrumentação, técnicas de fabricação, sistemas de energia e muito mais.
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A propulsão nuclear é essencialmente baseada em dois conceitos, ambos baseados em tecnologias exaustivamente testadas e validadas.
Na Propulsão Térmica Nuclear (NTP), o ciclo consiste em um reator nuclear que aquece o hidrogênio líquido (LH2) como propelente e o converte em gás hidrogênio ionizado (plasma), que é então passado por bocais para criar impulso.
Várias tentativas foram feitas para testar a construção deste sistema de propulsão, incluindo Projeto Roveruma colaboração entre a Força Aérea dos EUA e a Comissão de Energia Atômica (AEC), estabelecida em 1955.
Em 1959, a NASA adquiriu a USAF e o programa entrou em uma nova fase dedicada a aplicações espaciais. Isso acabou levando ao Motor nuclear para aplicação em veículo-foguete (NERVA), um reator nuclear de núcleo completo testado com sucesso.
Com a conclusão da era Apollo em 1973, o financiamento do programa foi drasticamente reduzido, levando ao seu cancelamento antes que os testes de voo pudessem ser realizados. Enquanto isso, os soviéticos desenvolveram seu próprio conceito NTP (RD-0410) entre 1965 e 1980 e realizou um único teste de solo antes do cancelamento do programa.
A propulsão elétrica nuclear (NEP), por outro lado, depende de um reator nuclear para alimentar um motor de efeito Hall (motor de íons) que cria um campo eletromagnético que ioniza e acelera um gás inerte (como o xenônio) para produzir empuxo. As tentativas de desenvolver esta tecnologia incluem as da NASA Iniciativa do Sistema Nuclear (NSI) Projeto Prometheus (2003 a 2005).
Ambos os sistemas têm vantagens significativas sobre a propulsão química convencional, incluindo uma classificação de potência de impulso específico (Isp) mais alta, eficiência de combustível e densidade de energia virtualmente ilimitada.
Embora os conceitos do NEP sejam excelentes em fornecer mais de 10.000 segundos de Isp, o que significa que podem sustentar o impulso por quase três horas, o nível de impulso é bastante baixo em comparação com os foguetes convencionais e NTP.
A necessidade de uma fonte de energia elétrica, diz Gosse, também levanta a questão da dissipação 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 luta para fornecer frações de massa inicial e final adequadas para missões de alto delta-V.
Por isso, privilegiam-se propostas que incluam os dois tipos de acionamento (bimodal), 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 dos foguetes químicos atuais.
O ciclo proposto por Gosse também inclui um supercharger de onda de pressão – ou Wave Rotor (WR) – uma tecnologia usada em motores de combustão interna que usa as ondas de pressão geradas por reações para comprimir o ar de admissão.
Em conjunto com um motor NTP, o WR usaria a pressão criada pelo aquecimento do combustível LH2 no reator para comprimir ainda mais a massa de reação. Como Gosse promete, isso fornecerá valores de impulso comparáveis a um conceito NTP da classe NERVA, mas com um Isp de 1400-2000 segundos. Em conexão com um ciclo NEP disse Gosse, os valores de empuxo serão melhorados 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 matéria seca. Este design bimodal permite trânsito rápido para missões tripuladas (45 dias para Marte) e revoluciona a exploração do espaço em nosso sistema solar.”
Com base na tecnologia de propulsão convencional, uma missão tripulada a Marte pode levar até três anos. Essas missões seriam lançadas a cada 26 meses, quando a Terra e Marte estão mais próximos (também conhecido como oposição de Marte), e viajariam pelo menos de seis a nove meses.
Um trânsito de 45 dias (seis semanas e meia) reduziria o tempo total da missão para meses em vez de anos. Isso reduziria bastante os principais riscos associados às missões a Marte, incluindo exposição à radiação, tempo em microgravidade e problemas de saúde associados.
Além da propulsão, há propostas para novos projetos de reatores que forneceriam energia constante para missões de superfície de longa duração, onde energia solar e eólica nem sempre estão disponíveis.
Exemplos são os da NASA Reator Kilopower com tecnologia Sterling (KRUSTY) e o reator híbrido de fissão/fusão selecionado para o desenvolvimento da Fase I pela seleção NAIC 2023 da NASA.
Estas e outras aplicações nucleares poderiam um dia permitir missões tripuladas a Marte e outros lugares no espaço, talvez mais cedo do que pensamos!
Este artigo foi originalmente publicado por universo hoje. ler o item original.
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