Uma nova era de exploração espacial por trás de motores de foguetes de fusão

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

A NASA e Elon Musk sonham com Marte, e as missões tripuladas no espaço profundo logo se tornarão uma realidade. Você provavelmente ficará surpreso, mas os foguetes modernos voam um pouco mais rápido do que os foguetes do passado.

Naves espaciais rápidas são mais convenientes por vários motivos, e a melhor maneira de acelerar é por meio de foguetes movidos a energia nuclear. Eles têm muitas vantagens sobre os foguetes convencionais ou modernos foguetes elétricos movidos a energia solar, mas nos últimos 40 anos, os Estados Unidos lançaram apenas oito foguetes movidos a energia nuclear.

No entanto, no ano passado, as leis relativas às viagens espaciais nucleares mudaram e o trabalho na próxima geração de foguetes já começou.

Por que a velocidade é necessária?

No primeiro estágio de qualquer vôo ao espaço, um veículo de lançamento é necessário - ele coloca a nave em órbita. Esses grandes motores funcionam com combustíveis - e geralmente, quando se trata de lançar foguetes, eles são direcionados. Eles não irão a lugar nenhum tão cedo - assim como a força da gravidade.

Mas quando a nave entra no espaço, as coisas ficam mais interessantes. Para superar a gravidade da Terra e ir para o espaço profundo, a nave precisa de aceleração adicional. É aqui que os sistemas nucleares entram em jogo. Se os astronautas querem explorar algo além da Lua ou ainda mais Marte, eles terão que se apressar. O cosmos é enorme e as distâncias são bastante grandes.

Há duas razões pelas quais foguetes rápidos são mais adequados para viagens espaciais de longa distância: segurança e tempo.

No caminho para Marte, os astronautas enfrentam níveis muito altos de radiação, repletos de sérios problemas de saúde, incluindo câncer e infertilidade. A blindagem contra radiação pode ajudar, mas é extremamente pesada e quanto mais longa a missão, mais blindagem será necessária. Portanto, a melhor maneira de reduzir a dose de radiação é simplesmente chegar mais rápido ao seu destino.

Mas a segurança da tripulação não é o único benefício. Quanto mais voos distantes planejamos, mais cedo precisaremos de dados de missões não tripuladas. A Voyager 2 levou 12 anos para chegar a Netuno - e enquanto ela voava, ela tirou algumas fotos incríveis. Se a Voyager tivesse um motor mais potente, essas fotos e dados teriam aparecido nos astrônomos muito antes.

Portanto, a velocidade é uma vantagem. Mas por que os sistemas nucleares são mais rápidos?

Sistemas de hoje

Tendo vencido a força da gravidade, o navio deve considerar três aspectos importantes.

Impulso- que aceleração o navio receberá.

Eficiência de peso- quanto impulso o sistema pode produzir para uma determinada quantidade de combustível.

Consumo específico de energia- quanta energia uma determinada quantidade de combustível emite.

Hoje, os motores químicos mais comuns são foguetes convencionais movidos a combustível e foguetes elétricos movidos a energia solar.

Os sistemas de propulsão química fornecem muito empuxo, mas não são particularmente eficientes, e o combustível de foguete não consome muita energia. O foguete Saturn 5 que levou astronautas à lua entregou 35 milhões de newtons de força na decolagem e carregou 950.000 galões (4.318.787 litros) de combustível. A maior parte disso foi para colocar o foguete em órbita, então as limitações são óbvias: aonde quer que você vá, precisará de muito combustível pesado.

Os sistemas de propulsão elétrica geram empuxo usando eletricidade de painéis solares. A maneira mais comum de conseguir isso é usar um campo elétrico para acelerar íons, por exemplo, como em um propulsor de indução Hall. Esses dispositivos são usados para alimentar satélites e sua eficiência de peso é cinco vezes maior que a dos sistemas químicos. Mas, ao mesmo tempo, eles fornecem muito menos impulso - cerca de 3 newtons. Isso é suficiente apenas para acelerar o carro de 0 a 100 quilômetros por hora em cerca de duas horas e meia. O sol é essencialmente uma fonte de energia sem fundo, mas quanto mais a nave se afasta dele, menos útil ele é.

Uma das razões pelas quais os mísseis nucleares são particularmente promissores é sua incrível intensidade de energia. O urânio combustível usado em reatores nucleares tem um conteúdo de energia 4 milhões de vezes maior do que a hidrazina, um combustível químico típico para foguetes. E é muito mais fácil colocar um pouco de urânio no espaço do que centenas de milhares de galões de combustível.

E quanto à tração e eficiência de peso?

Duas opções nucleares

Para viagens espaciais, os engenheiros desenvolveram dois tipos principais de sistemas nucleares.

O primeiro é um motor termonuclear. Esses sistemas são muito poderosos e altamente eficientes. Eles usam um pequeno reator de fissão nuclear - como os dos submarinos nucleares - para aquecer um gás (como o hidrogênio). Esse gás é então acelerado através do bico do foguete para fornecer impulso. Os engenheiros da NASA calcularam que uma viagem a Marte usando um motor termonuclear será 20-25% mais rápida do que um foguete com um motor químico.

Os motores de fusão são duas vezes mais eficientes que os químicos. Isso significa que eles fornecem o dobro do empuxo para a mesma quantidade de combustível - até 100.000 Newtons de empuxo. Isso é o suficiente para acelerar o carro a uma velocidade de 100 quilômetros por hora em cerca de um quarto de segundo.

O segundo sistema é um motor de foguete elétrico nuclear (NEPE). Nenhum deles foi criado ainda, mas a ideia é usar um poderoso reator de fissão para gerar eletricidade, que então acionará um sistema de propulsão elétrica como um motor Hall. Isso seria muito eficaz - cerca de três vezes mais eficiente do que um motor de fusão. Como a potência de um reator nuclear é enorme, vários motores elétricos separados podem funcionar ao mesmo tempo, e o impulso será sólido.

Motores de foguetes nucleares são talvez a melhor escolha para missões de alcance extremamente longo: eles não requerem energia solar, são muito eficientes e fornecem empuxo relativamente alto. Mas, apesar de seu caráter promissor, o sistema de propulsão da energia nuclear ainda apresenta muitos problemas técnicos que deverão ser resolvidos antes de ser colocado em operação.

Por que ainda não há mísseis com energia nuclear?

Os motores termonucleares foram estudados desde 1960, mas ainda não voaram para o espaço.

De acordo com o estatuto da década de 1970, cada projeto espacial nuclear era considerado separadamente e não poderia ir adiante sem a aprovação de várias agências governamentais e do próprio presidente. Juntamente com a falta de financiamento para pesquisas em sistemas de mísseis nucleares, isso tem dificultado o desenvolvimento de reatores nucleares para uso no espaço.

Mas tudo isso mudou em agosto de 2019, quando o governo Trump publicou um memorando presidencial. Embora insista na segurança máxima dos lançamentos nucleares, a nova diretriz ainda permite missões nucleares com baixas quantidades de material radioativo sem complicada aprovação interagências. A confirmação por uma agência patrocinadora como a NASA de que a missão está em conformidade com as recomendações de segurança é suficiente. Grandes missões nucleares seguem os mesmos procedimentos de antes.

Junto com essa revisão das regras, a NASA recebeu US $ 100 milhões do orçamento de 2019 para o desenvolvimento de motores termonucleares. A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa também está desenvolvendo um motor espacial termonuclear para operações de segurança nacional além da órbita da Terra.

Após 60 anos de estagnação, é possível que um foguete nuclear vá ao espaço dentro de uma década. Esta incrível conquista dará início a uma nova era de exploração espacial. O homem irá a Marte, e experimentos científicos levarão a novas descobertas em todo o sistema solar e além.