Essas e outras missões que levarão astronautas além da órbita baixa da Terra e do sistema Terra-Lua requerem novas tecnologias, variando desde suporte de vida e blindagem contra radiação até potência e propulsão.
E quando se trata deste último, a Propulsão Nuclear Térmica e Elétrica (NTP/NEP) é um dos principais candidatos!
A NASA e o programa espacial soviético gastaram décadas pesquisando propulsão nuclear durante a Corrida Espacial.
Alguns anos atrás, a NASA reacendeu seu programa nuclear com o objetivo de desenvolver propulsão nuclear bimodal – um sistema de dois partes consistindo de um elemento NTP e NEP – que poderia permitir transits 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. Este novo sistema de propulsão nuclear bimodal usa um “ciclo de topo de rotor de onda” e poderia reduzir os tempos de trânsito para Marte para apenas 45 dias.
A proposta, intitulada “Bimodal NTP/NEP com um ciclo de topo de rotor de onda”, foi apresentada pelo Prof. Ryan Gosse, líder da área de hipersônicos na Universidade da Flórida e membro da equipe Florida Applied Research in Engineering (FLARE).
A proposta de Gosse é uma das 14 selecionadas pelo NAIC este ano para o desenvolvimento da Fase I, que inclui uma subvenção de US$ 12.500 para ajudar a amadurecer a tecnologia e os métodos envolvidos. Outras propostas incluíram sensores, instrumentos, técnicas de fabricação, sistemas de energia e muito mais.
A propulsão nuclear essencialmente se resume a dois conceitos, ambos os quais dependem de tecnologias que foram testadas e validadas minuciosamente.
Para a Propulsão Nuclear Térmica (NTP), o ciclo consiste em um reator nuclear aquecendo hidrogênio líquido (LH2) como propulsor, transformando-o em hidrogênio ionizado (plasma) que é então canalizado através de bicos para gerar empuxo.
Várias tentativas foram feitas para construir um sistema de propulsão de teste, incluindo o Projeto Rover, um esforço colaborativo entre a Força Aérea dos EUA e a Comissão de Energia Atômica (AEC) que foi lançado em 1955.
Em 1959, a NASA assumiu da USAF, e o programa entrou em uma nova fase dedicada às aplicações de vôo espacial. Isso eventualmente levou ao Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), um reator nuclear de núcleo sólido que foi testado com sucesso.
Com o encerramento da Era Apollo em 1973, o orçamento do programa foi drasticamente reduzido, o que levou à sua cancelamento antes que quaisquer testes de vôo 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 Nuclear Elétrica (NEP), por outro lado, se baseia em 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 xênon) para criar empuxo. Tentativas de desenvolver essa tecnologia incluem o Projeto Prometheus da Nuclear Systems Initiative (NSI) da NASA (2003 a 2005).
Ambos os sistemas têm vantagens consideráveis sobre a propulsão química convencional, incluindo uma classificação de impulso específico (Isp) mais elevada, eficiência de combustível e densidade de energia virtualmente ilimitada.
Enquanto os conceitos de NEP se distinguem por fornecer mais de 10.000 segundos de Isp, o que significa que podem manter o empuxo por perto de três horas, o nível de empuxo é bastante baixo em comparação com foguetes convencionais e NTP.
A necessidade de uma fonte de energia elétrica, de acordo com Gosse, também levanta a questão da rejeição de calor no espaço, onde a conversão de energia térmica é de 30-40% nas circunstâncias ideais.
E, embora os projetos de NTP NERVA sejam o método preferido para missões tripuladas a Marte e além, este método também apresenta problemas para proporcionar 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 (bimodais) são favoritas, pois combinariam as vantagens de ambos. A proposta de Gosse prevê 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 supercarregador 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 combinado 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 entregará níveis de empuxo comparáveis aos de um conceito NTP de classe NERVA, mas com um Isp de 1400-2000 segundos. Quando combinado com um ciclo NEP, diz Gosse, os níveis de empuxo são ainda mais aumentados.
Associado a um ciclo NEP, o impulso específico de ciclo de trabalho pode ser aumentado ainda mais (1.800-4.000 segundos) com adição mínima de massa seca. Este design bimodal permite o rápido trânsito para missões tripuladas (45 dias para Marte) e revoluciona a exploração profunda do nosso Sistema Solar.
Com base na tecnologia de propulsão convencional, uma missão tripulada a Marte poderia durar até três anos. Essas missões seriam lançadas a cada 26 meses quando a Terra e Marte estão mais próximos (aka. uma oposição de Marte) e passariam um 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 a exposição à radiação, o tempo gasto em microgravidade e preocupações relacionadas à saúde.
Além da propulsão, há propostas para novos projetos de reator que forneceriam uma fonte de energia constante para missões de superfície de longa duração, onde a energia solar e eólica nem sempre está disponível.
Exemplos incluem o Kilopower Reactor Using Sterling Technology (KRUSTY) da NASA e o reator híbrido fissão/fusão selecionado para o desenvolvimento da Fase I pela seleção da NASA NAIC 2023.
Essas e outras aplicações nucleares poderiam um dia possibilitar missões tripuladas a Marte e outros locais no espaço profundo, talvez antes do que pensamos!
Achou útil essa informação? Compartilhe com seus amigos! 
Deixe-nos a sua opinião aqui nos comentários.
