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Cientistas e engenheiros estão trabalhando em sistemas de propulsão térmica nuclear que pegariam propelente de hidrogênio, o bombeariam para um reator nuclear para gerar energia e expeliriam o propelente para fora do bocal para levantar o foguete. NASA Glenn Research Center
Foguetes movidos a energia nuclear podem um dia permitir viagens espaciais mais rápidas. NASA
A NASA planeja enviar missões tripuladas a Marte na próxima década, mas a jornada de 225 milhões de quilômetros até o planeta vermelho pode levar de vários meses a anos, ida e volta .
Esse tempo de trânsito relativamente longo é resultado do uso de combustível químico tradicional para foguetes. Uma tecnologia alternativa aos foguetes quimicamente propulsionados que a agência desenvolve agora é chamada de propulsão térmica nuclear, que usa fissão nuclear e poderia um dia alimentar um foguete que faça a viagem em apenas metade do tempo.
A fissão nuclear envolve a coleta da incrível quantidade de energia liberada quando um átomo é dividido por um nêutron. Essa 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 pode um dia dar à NASA uma alternativa mais rápida e poderosa aos foguetes movidos a energia química.
A NASA e a Defense Advanced Research Projects Agency estão desenvolvendo conjuntamente a tecnologia NTP . Elas planejam implantar e demonstrar as capacidades de um sistema protótipo no espaço em 2027 – potencialmente tornando-o um dos primeiros do gênero a ser construído e operado pelos EUA.
A propulsão térmica nuclear também poderia um dia alimentar plataformas espaciais manobráveis que protegeriam satélites americanos dentro e além da órbita da Terra. Mas a tecnologia ainda está em desenvolvimento.
Sou professor associado de engenharia nuclear no Georgia Institute of Technology, cujo grupo de pesquisa constrói modelos e simulações para melhorar e otimizar projetos para 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 usam uma reação química envolvendo um propelente leve, como hidrogênio, e um oxidante. Quando misturados, esses dois se inflamam, o que resulta no propelente saindo do bocal muito rapidamente para impulsionar o foguete.
Esses sistemas não exigem nenhum tipo de sistema de ignição, então são confiáveis. Mas esses foguetes devem levar 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 propulsor que é então expelido do bico 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 urânio , o urânio-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.
Vídeo: https://youtu.be/D91T-B-PVE0
As reações de fissão criam muita energia térmica.
Mais de 400 reatores de energia nuclear em operação ao redor do mundo atualmente usam tecnologia de fissão nuclear. A maioria desses reatores de energia nuclear 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.
Os sistemas de propulsão térmica nuclear operam de forma semelhante, mas usam um combustível nuclear diferente que tem mais urânio-235. Eles também operam em uma temperatura muito mais alta, o que os torna extremamente poderosos e compactos. Os sistemas de propulsão térmica nuclear têm cerca de 10 vezes mais densidade de potência do que um reator de água leve tradicional.
A propulsão nuclear pode ter uma vantagem sobre a propulsão química por alguns motivos .
A propulsão nuclear expeliria propelente do bico do motor muito rapidamente, gerando alto empuxo . Esse alto empuxo permite que o foguete acelere mais rápido.
Esses sistemas também têm um alto impulso específico. O impulso específico mede o quão eficientemente o propelente é usado para gerar empuxo. Os sistemas de propulsão térmica nuclear têm aproximadamente o dobro do impulso específico de foguetes químicos, o que significa que eles podem reduzir o tempo de viagem por um fator de 2.
História da propulsão térmica nuclear
Por décadas, o governo dos EUA financiou o desenvolvimento da tecnologia de propulsão térmica nuclear. Entre 1955 e 1973, programas na NASA , General Electric e Argonne National Laboratories produziram e testaram em solo 20 motores de propulsão térmica nuclear.
Mas esses projetos anteriores a 1973 dependiam de combustível de urânio altamente enriquecido. Esse combustível não é mais usado por causa dos perigos de proliferação , ou perigos que têm a ver com a disseminação de material e tecnologia nuclear.
A Iniciativa Global de Redução de Ameaças , lançada pelo Departamento de Energia e pela Administração Nacional de Segurança Nuclear , visa 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 ensaio e baixo enriquecimento tem menos material capaz de sofrer uma reação de fissão, em comparação com o combustível de urânio altamente enriquecido. Então, os foguetes precisam ter mais combustível HALEU carregado, o que torna o motor mais pesado. Para resolver esse problema, os pesquisadores estão procurando materiais especiais que usariam o combustível de forma mais eficiente nesses reatores.
O programa Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations , ou DRACO, da NASA e da DARPA pretende usar esse combustível de urânio de alto ensaio 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 uma parceria com a BWX Technologies para desenvolver os projetos do reator e do combustível .
Os motores de propulsão térmica nuclear em desenvolvimento por esses grupos precisarão cumprir com padrões específicos de desempenho e segurança. Eles precisarão ter um núcleo que possa operar durante a duração da missão e executar as manobras necessárias para uma viagem rápida a Marte.
Idealmente, o motor deve ser capaz de produzir alto impulso específico 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. Essas 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, então os engenheiros precisarão criar ferramentas de software que funcionem com esse novo motor.
Meu grupo projeta e analisa reatores de propulsão térmica nuclear usando modelos. Nós modelamos esses sistemas complexos 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.
Estamos trabalhando para desenvolver novas ferramentas computacionais que modelem como esses reatores agem enquanto estão sendo inicializados e operados sem usar tanto poder computacional.
Meus colegas e eu esperamos que esta pesquisa possa um dia ajudar a desenvolver modelos que possam controlar o foguete de forma autônoma.
Para saber mais, acesse o linlk>
Fonte: The Conversation / Publicação 04/10/2024
https://theconversation.com/nuclear-rockets-could-travel-to-mars-in-half-the-time-but-designing-the-reactors-that-would-power-them-isnt-easy-236463
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