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Missões espaciais tripuladas para além da Órbita Baixa da Terra (LEO) e do sistema Terra-Lua exigem novas tecnologias, que vão desde suporte à vida e proteção contra radiação até energia e propulsão. Neste último quesito, a Propulsão Térmica Nuclear e a Propulsão Elétrica Nuclear (NTP / NEP) são os dois protagonistas.
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Alguns anos atrás, a NASA reacendeu seu programa nuclear (que estava no auge na época da corrida espacial com a antiga União Soviética), com o objetivo de desenvolver propulsão nuclear bimodal – um sistema de duas partes que consiste em um elemento NTP e NEP – que poderia permitir viagens para Marte em 100 dias.
Para este ano, como parte do programa NIAC (sigla em inglês para Conceitos Avançados Inovadores da NASA), a agência selecionou um conceito nuclear para o desenvolvimento da Fase I. Essa nova classe de sistema de propulsão nuclear bimodal usa um “ciclo de topo do rotor de onda” e poderia reduzir a jornada para Marte para apenas 45 dias.
Intitulada Bimodal NTP / NEP with a Wave Rotor Topping Cycle, a proposta foi apresentada pelo PhD em engenharia aeroespacial Ryan Gosse, líder do Programa de Hipersônica da Universidade da Flórida e membro da equipe de Pesquisa Aplicada em Engenharia da Flórida (FLARE).
Sua proposta é uma das 14 selecionadas pelo NAIC em 2023 para o desenvolvimento da Fase I, que inclui um incentivo financeiro de US$12,5 mil (algo em torno de R$65 mil) para ajudar no amadurecimento da tecnologia e dos métodos envolvidos. As demais propostas incluem sensores, instrumentos, técnicas de fabricação, sistemas de energia inovadores, entre outros.
Diferenças entre a NTP e a NEP
Para a Propulsão Térmica Nuclear (NTP), o ciclo consiste em um reator aquecendo o propulsor de hidrogênio líquido (LH2) para transformá-lo em gás hidrogênio ionizado (plasma), que é então canalizado através de bicos para gerar empuxo.
Várias tentativas foram feitas para construir um teste desse sistema de propulsão, como o Projeto Rover, um esforço colaborativo entre a Força Aérea dos EUA (USAF) e a Comissão de Energia Atômica (AEC), lançado em 1955.
Em 1959, a NASA assumiu o lugar da USAF, e o programa entrou em uma nova fase dedicada a aplicações em voos espaciais. Isso eventualmente levou ao NERVA (sigla em inglês para Motor Nuclear para Aplicação em Veículos de Foguete), 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 qualquer teste de voo pudesse ser realizado.
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.
Por sua vez, a Propulsão Nuclear-Elétrica (NEP) 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 empuxo.
As tentativas de desenvolver essa tecnologia incluem o Projeto Prometheus, da Iniciativa de Sistemas Nucleares (NSI) da NASA (entre os anos de 2003 e 2005).
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Método mais adequado para as viagens a Marte
Ambos os sistemas têm vantagens consideráveis sobre a propulsão química convencional, incluindo uma classificação de impulso específico (Isp) mais alta, eficiência de combustível e densidade de energia praticamente ilimitada.
Embora os conceitos NEP se diferenciem por oferecer mais de 10 mil segundos de Isp,sendo capaz de manter o empuxo por quase três horas, o nível de empuxo é bastante baixo em comparação aos foguetes convencionais e à NTP.
Enquanto os projetos NTP NERVA são o método preferido para missões tripuladas a Marte e além, essa tecnologia também tem problemas para fornecer frações de massa iniciais e finais adequadas para missões Delta-V altas.
Delta-v é um termo utilizado em astrodinâmica. É um valor escalar medido em unidades de velocidade. É a medida da quantidade de “esforço” necessário para efetuar uma manobra orbital para mudar de uma trajetória para outra.
É por isso que as propostas que incluem ambos os métodos de propulsão (bimodal) são mais vantajosas, pois combinam os benefícios de ambos. A proposta de Gosse exige 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.
Redução de riscos das missões
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 pelas reações para comprimir o ar de admissão.
Quando emparelhado 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. Gosse diz que isso proporcionará níveis de empuxo comparáveis aos de um conceito NTP da classe NERVA, mas com um Isp de 1400-2000 segundos.
“Juntamente com um ciclo NEP, o ciclo de trabalho Isp pode ainda ser aumentado (1.800-4.000 segundos) com adição mínima de massa seca”, explicou Goesse ao site Universe Today. “Esse design 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 (no período de oposição de Marte) e passariam um mínimo de seis a nove meses em trânsito.
Um trânsito de 45 dias (seis semanas e meia) 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.
Também há propostas para novos projetos de reatores que forneceriam uma fonte de alimentação estável para missões de superfície de longa duração, onde a energia solar e eólica nem sempre estão disponíveis.
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