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Cientistas dos EUA desenvolveram um conceito de bolha centrífuga de combustível líquido que pode ser aplicado em motores de foguete de propulsão térmica nuclear (NTP). Eles apresentaram o projeto para a Nasa em um workshop híbrido (presencial e remoto) realizado neste mês.
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Sob um contrato de pesquisa de NTP para o Escritório de Projetos de Propulsão Nuclear Espacial do Centro de Voo Espacial Marshall (MSFC) da agência, a Universidade do Alabama em Huntsville (UAH) está liderando uma colaboração de universidades em todo o país para executar o conceito. Fazem parte do convênio a Universidade de Rhode Island (URI), a Universidade Drexel, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), a Universidade Estadual da Pensilvânia e a Universidade de Michigan (UM).
De acordo com o site Phys, a Nasa alcançou avanços substanciais em direção a um projeto NTP de combustível sólido. O conceito de bolha proposto pelos colaboradores desse convênio é um dos três projetos à base de hidrogênio para um foguete NTP de combustível líquido de próxima geração.
Como funcionaria o motor nuclear com bolha centrífuga
O conceito NTP de bolha centrífuga aquece o hidrogênio gasoso a temperaturas superelevadas, mas sem combustão. O hidrogênio borbulha até chegar a um núcleo rotativo de urânio líquido no motor, passando por uma parede porosa de um cilindro, fazendo com que o gás se expanda rapidamente. À medida que sai do bocal, o hidrogênio em expansão fornece impulso para a espaçonave.
Segundo Dale Thomas, doutor em engenharia de sistemas pela UAH e principal pesquisador do conceito, as vantagens do projeto incluem um desempenho significativamente maior em relação aos motores convencionais de foguetes de combustível líquido que queimam hidrogênio e oxigênio. “Na combustão convencional do motor de combustível líquido, as moléculas propulsoras resultantes são muito mais pesadas devido a esses átomos de oxigênio relativamente pesados, e não sairão do bocal tão rápido, fornecendo mais empuxo, mas menos impulso”.
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O empuxo é a força fornecida pelo motor, por exemplo, para levantar uma nave espacial sob a gravidade da Terra, e impulso é a mudança de momento por unidade de combustível, e isso importa quando se trata de lançar uma espaçonave para o lugar certo no espaço. Thomas fez uma comparação com um carro. “Pense no seu carro. Pense no empuxo como torque e no impulso como km por galão de combustível. Ambos importam”.
Ele explica que átomos de hidrogênio mais quentes e relativamente leves farão a nave ir mais longe. “Se aquecermos o propelente, ele terá mais energia e sairá do bocal do motor mais rapidamente, o que fornece mais impulso. Como este é um motor de alto desempenho, ele tem o potencial de alimentar a espaçonave em trajetórias diferentes das trajetórias de energia mínima, oferecendo opções para trajetórias de energia mais altas que reduzirão o tempo de viagem de e para Marte e outros destinos em todo o sistema solar”.
Segundo Thomas, o motor de bolhas apresenta vários desafios técnicos, entre os quais o desenvolvimento de um material para a parede porosa do cilindro que possa resistir ao contato direto com o combustível de urânio fundido. “Estamos nos estágios iniciais disso”, disse o cientista, explicando que essa ideia não é nova. “Esse conceito de bolha existe desde os anos 60. A física é bem compreendida, mas os desafios de engenharia impediram que esse conceito saísse da prancheta no passado. Estamos tentando ver se as tecnologias atuais nos permitirão desenvolver um protótipo viável de motor NTP de combustível líquido”.
Qual a função de cada instituição no projeto
O trabalho da UAH se concentra em três áreas. A primeira é a modelagem e análise da transferência de calor termodinâmico de urânio líquido e hidrogênio gasoso. “Em segundo lugar, faremos modelagem e análise da geometria e trajetória de bolhas de hidrogênio gasoso em um meio de urânio líquido e, em terceiro lugar, realizaremos experimentação para confirmar as previsões analíticas de modelos dinâmicos e termodinâmicos”, revelou Thomas.
A cargo da URI está os projetos de design sênior nos sistemas de acionamento dos elementos de combustível centrífugos do motor, incluindo como girá-los até a velocidade de operação, mantê-los na velocidade de rotação desejada e reduzi-los. A Drexel está desenvolvendo as propriedades do material da parede do cilindro, enquanto o MIT está estudando a dinâmica das bolhas. Por fim, o pessoal da UM ficou responsável por analisar experimentalmente a física do reator, que é chamado de neutrônico.
No Centro de Pesquisa Johnson, os cientistas da UAH estão construindo aparatos experimentais para confirmar suas previsões analíticas de transferência de calor e dinâmica de bolhas. Existem dois até agora, chamados de Ant Farm e Bubbling Liquid Experiment Navigating Driven Extreme Rotation, ou BLENDER. Os dispositivos usam bolhas de ar na água para simular o borbulhar de hidrogênio através do núcleo do motor.
A pesquisa do motor NTP centrífugo se encaixa bem com outras pesquisas da UAH que Thomas lidera para a Nasa desenvolver uma espaçonave projetada para uso com motores NTP de combustível sólido. “Estamos realizando estudos de missão, analisando o que você pode fazer com um sistema de propulsão NTP de combustível sólido além de uma missão tripulada a Marte”, diz ele. “Nosso trabalho até agora indica que permitirá trajetórias diretas para missões científicas não tripuladas aos planetas externos do sistema solar, e talvez até retornos de amostras das luas jovianas”.
Em uma trajetória direta, uma espaçonave voa diretamente para um destino. Os atuais sistemas de propulsão química devem contar com alinhamentos planetários adequados para aproveitar as vantagens da gravidade ao voar entre planetas. “Esses alinhamentos planetários só acontecem uma vez a cada poucos anos”, explicou Thomas. “Com este NTP de combustível líquido, talvez você possa até chegar ao Cinturão de Kuiper em uma trajetória direta”.
Se isso realmente fosse possível, seria um passeio e tanto, já que o Cinturão de Kuiper começa a 4,4 bilhões de km do Sol.
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