NASA planeja enviar missões tripuladas a Marte durante a próxima década – mas o Viagem de 140 milhões de milhas (225 milhões de quilômetros) para o planeta vermelho pode levar vários meses a anos de ida e volta.
Este tempo de trânsito relativamente longo é resultado do uso de combustível químico tradicional para foguetes. Uma tecnologia alternativa aos foguetes de propulsão química que a agência desenvolve agora é chamada de propulsão térmica nuclear, que utiliza fissão nuclear e pode um dia alimentar um foguete isso faz a viagem em apenas metade do tempo.
A fissão nuclear envolve a colheita da incrível quantidade de energia liberada quando um átomo é dividido por um nêutron. Esse reação é conhecida como reação de fissão. A tecnologia de fissão está bem estabelecida na geração de energia e em submarinos movidos a energia nuclear, e sua aplicação para impulsionar ou alimentar um foguete poderá um dia dar à NASA uma alternativa mais rápida e poderosa aos foguetes movidos quimicamente.
A NASA e a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa estão desenvolvendo conjuntamente a tecnologia NTP. Eles planejam implantar e demonstrar as capacidades de um sistema protótipo no espaço em 2027 – tornando-o potencialmente um dos primeiros deste tipo a ser construído e operado pelos EUA.
A propulsão térmica nuclear também poderá um dia alimentar plataformas espaciais manobráveis que protegeria os satélites americanos dentro e fora da órbita da Terra. Mas a tecnologia ainda está em desenvolvimento.
eu sou um professor associado de engenharia nuclear no Georgia Institute of Expertise cujo grupo de pesquisa constrói modelos e simulações para melhorar e otimizar projetos de sistemas de propulsão térmica nuclear. Minha esperança e paixão é ajudar a projetar o motor de propulsão térmica nuclear que levará uma missão tripulada a Marte.
Propulsão Nuclear Versus Química
Os sistemas convencionais de propulsão química utilizam uma reação química envolvendo um propelente leve, como o hidrogênio, e um oxidante. Quando misturados, os dois entram em ignição, o que faz com que o propelente saia do bocal muito rapidamente para impulsionar o foguete.
Esses sistemas não requerem nenhum tipo de sistema de ignição, por isso são confiáveis. Mas esses foguetes devem transportar oxigênio com eles para o espaço, o que pode sobrecarregá-los. Ao contrário dos sistemas de propulsão química, os sistemas de propulsão térmica nuclear dependem de reações de fissão nuclear para aquecer o propelente que é então expelido do bocal para criar a força motriz ou impulso.
Em muitas reações de fissão, os pesquisadores enviam um nêutron em direção a um isótopo mais leve de urâniourânio-235. O urânio absorve o nêutron, criando o urânio-236. O urânio-236 então se divide em dois fragmentos – os produtos da fissão – e a reação emite algumas partículas variadas.
Mais de 400 reatores nucleares em operação em todo o mundo atualmente usam tecnologia de fissão nuclear. A maioria dos reatores nucleares em operação são reatores de água leve. Esses reatores de fissão usam água para desacelerar os nêutrons e absorver e transferir calor. A água pode criar vapor diretamente no núcleo ou em um gerador de vapor, que aciona uma turbina para produzir eletricidade.
Sistemas de propulsão térmica nuclear operam de maneira semelhante, mas usam um combustível nuclear diferente que contém mais urânio-235. Eles também operam em temperaturas muito mais altas, o que os torna extremamente potentes e compactos. Os sistemas de propulsão térmica nuclear têm cerca de 10 vezes mais densidade de potência do que um reator tradicional de água leve.
A propulsão nuclear poderia ter uma vantagem sobre a propulsão química para algumas razões.
A propulsão nuclear expeliria o propelente do bocal do motor muito rapidamente, gerando alto impulso. Este alto empuxo permite que o foguete acelere mais rapidamente.
Esses sistemas também possuem um impulso específico alto. Impulso específico mede a eficiência com que o propelente é usado para gerar empuxo. Os sistemas de propulsão térmica nuclear têm aproximadamente o dobro do impulso específico dos foguetes químicos, o que significa que poderiam reduzir o tempo de viagem por um issue de dois.
História da Propulsão Térmica Nuclear
Durante décadas, o governo dos EUA financiou o desenvolvimento da tecnologia de propulsão térmica nuclear. Entre 1955 e 1973, os programas em NASA, Elétrica Gerale Laboratórios Nacionais de Argonne produziu e testou em solo 20 motores de propulsão térmica nuclear.
Mas estes projetos anteriores a 1973 dependiam de combustível de urânio altamente enriquecido. Este combustível não é mais utilizado devido à sua perigos de proliferaçãoou perigos relacionados com a disseminação de materials e tecnologia nuclear.
O Iniciativa International de Redução de Ameaçaslançado pelo Departamento de Energia e Administração Nacional de Segurança Nuclearvisa converter muitos dos reatores de pesquisa que empregam combustível de urânio altamente enriquecido em combustível de urânio de alto teor e baixo enriquecimento, ou HALEU.
O combustível de urânio de alto teor e pouco enriquecido tem menos materials capaz de sofrer uma reação de fissão em comparação com o combustível de urânio altamente enriquecido. Portanto, os foguetes precisam ter mais combustível HALEU carregado, o que torna o motor mais pesado. Para resolver este problema, os investigadores estão a estudar materiais especiais que possam utilizar o combustível de forma mais eficiente nestes reactores.
NASA e DARPA Foguete de demonstração para operações ágeis cislunaresou DRACO, pretende usar este combustível de urânio de alto teor e baixo enriquecimento em seu motor de propulsão térmica nuclear. O programa planeja lançar seu foguete em 2027.
Como parte do programa DRACO, a empresa aeroespacial Lockheed Martin fez parceria com a BWX Applied sciences para desenvolver os projetos do reator e do combustível.
Os motores de propulsão térmica nuclear em desenvolvimento por estes grupos terão de cumprir padrões específicos de desempenho e segurança. Eles precisarão ter um núcleo que possa operar durante toda a missão e realizar as manobras necessárias para uma viagem rápida a Marte.
Idealmente, o motor deve ser capaz de produzir impulso específico elevado e, ao mesmo tempo, satisfazer os requisitos de alto empuxo e baixa massa do motor.
Pesquisa em andamento
Antes que os engenheiros possam projetar um motor que satisfaça todos esses padrões, eles precisam começar com modelos e simulações. Esses modelos ajudam pesquisadores, como os do meu grupo, a entender como o motor lidaria com a partida e o desligamento. Estas são operações que exigem mudanças rápidas e massivas de temperatura e pressão.
O motor de propulsão térmica nuclear será diferente de todos os sistemas de energia de fissão existentes, pelo que os engenheiros terão de construir ferramentas de software program que funcionem com este novo motor.
Meu grupo projetos e análises reatores de propulsão térmica nuclear usando modelos. Modelamos esses complexos sistemas de reatores para ver como coisas como mudanças de temperatura podem afetar o reator e a segurança do foguete. Mas simular esses efeitos pode exigir muito poder de computação caro.
Temos trabalhado para desenvolver novas ferramentas computacionais esse modelo de como esses reatores agem enquanto estão iniciando e operando sem usar tanto poder de computação.
Meus colegas e eu esperamos que esta pesquisa possa um dia ajudar a desenvolver modelos que possam controlar o foguete de forma autônoma.
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Crédito da imagem: NASA