Traduzido por Julio Batista
Original de Matt Williams para o Universe Today
Vivemos em uma era de renovação da exploração espacial, onde várias agências planejam enviar astronautas à Lua nos próximos anos. Isso será seguido na próxima década com missões tripuladas a 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 Terrestre Baixa (LEO, na sigla em inglês) 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, a Propulsão Nuclear Térmica e Elétrica Nuclear (NTP/NEP, na sigla em inglês) é uma das principais candidatas!
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 (Conceitos Avançados Inovadores da NASA – NIAC, na sigla em inglês) 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 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” (NTP/NEP Bimodal com um Ciclo de Cobertura de Rotor de Onda, na tradução em português), 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, na sigla em inglês).
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 aperfeiçoamento 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 da ponta do foguete para gerar empuxo.
Várias tentativas foram feitas para construir um teste deste sistema de propulsão, incluindo o Projeto Rover, um esforço colaborativo entre a Força Aérea dos EUA e a Comissão de Energia Atômica (AEC, na sigla em inglês), lançado em 1955.
Em 1959, a NASA substituiu a Força Aérea 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, na sigla em inglês), 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, na sigla em inglês), 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 de 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, disse 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 de NTP do 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 sugere um projeto bimodal baseado em um reator do 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 Rotor de Onda (WR, na sigla em inglês) – uma tecnologia usada em motores de combustão interna que aproveita as ondas de pressão produzidas por reações para comprimir o ar de admissão.
Quando juntado com um motor de NTP, o WR usaria a pressão criada pelo aquecimento do reator do combustível de LH2 para comprimir ainda mais a massa de reação. Como Gosse sugere, isso fornecerá níveis de impulso comparáveis aos de um conceito de NTP da classe do NERVA, mas com um Isp de 1400-2000 segundos. Quando juntado com um ciclo de NEP, disse Gosse, os níveis de impulso são aprimorados ainda mais:
“Juntamente com um ciclo de NEP, o ciclo de trabalho de Isp pode ser aumentado ainda mais (1.800-4.000 segundos) com adição mínima de massa seca. Este projeto 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, na sigla em inglês) 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!
