Já relatamos algumas vezes sobre uma tecnologia chamada foguetes de plasma pulsado (PPRs) aqui na UT. Vários grupos de pesquisa trabalharam em variações deles. Eles são tão populares em parte por causa de seus níveis de impulso e empuxo específicos extremamente altos, e aparentemente resolvem o compromisso entre essas duas variáveis tão importantes nos sistemas de propulsão de exploração espacial. Essencialmente, são uma metodologia de propulsão extremamente eficiente que, se ampliada, permitiria que cargas úteis chegassem a outros planetas em semanas, em vez de meses ou anos. No entanto, alguns perigos inerentes ainda precisam de ser resolvidos, e superar alguns desses perigos foi o objetivo de um projeto do Instituto de Conceitos Avançados (NIAC) da NASA em 2020.
Originalmente concedido à Howe Industries, uma oficina de design que recebeu várias bolsas do NIAC (incluindo duas em 2020), o objetivo deste projeto era modelar o design de um PPR totalmente funcional em software de modelagem para ver se os materiais e sistemas de energia necessários estão disponíveis para um foguete que pode fornecer 100 kN de empuxo e mais de 5.000 segundos de impulso específico.
Em essência, um PPR pega uma pastilha de combustível feita de algum tipo de material fissionável (neste caso, urânio) e a transforma em plasma, depois emite o plasma pelas costas para um impulso forte. Foguetes com este design podem transportar muito menos combustível do que os foguetes químicos padrão, mas seu design deve ser significativamente maior devido às restrições de aquecimento impostas ao sistema pela criação do plasma em primeiro lugar.
Crédito – Espaço SciShow
Essas restrições de aquecimento foram um dos principais pontos focais do estudo de Fase I do NIAC em 2020. Em particular, este estudo concentrou-se na análise do barril onde o pellet de combustível é liberado para ver se ele poderia suportar as temperaturas extremas criadas pelo manuseio de um pellet de urânio plasmatizado.
Para fazer essa modelagem, a equipe da Howe Industries usou um software de modelagem chamado MCNP6 para verificar para onde as partículas iam no sistema e, assim, calcular quanto calor seria coletado em outras partes do sistema onde não era desejado. O MCNP6 usa uma metodologia de simulação de Monte Carlo, que calcula onde os nêutrons serão criados a partir da reação de fissão que forma o plasma e onde esses nêutrons impactarão o resto da espaçonave.
Esses plasmas teriam que ser criados uma vez a cada segundo, de acordo com os cálculos feitos pelas Indústrias Howe, e cada pulso deveria atingir um nível de energia de cerca de 1 keV – muito menor do que os reatores de fissão nuclear de nível industrial, mas um número relativamente alto para um sistema de propulsão de espaçonaves. Essa energia é transformada em calor e, embora parte do calor seja efetivamente usada para ejetar o urânio plasmatizado como propelente de impulso, o restante é absorvido por outras partes do sistema.
Crédito – Canal do YouTube do Interstellar Research Group
O barril fazia parte desse sistema que é particularmente importante nestes cálculos térmicos. O cano modelado foi feito de urânio pouco enriquecido, mas de um tipo diferente do projétil, permitindo que a energia aquecesse o projétil e não o cano em si. No entanto, uma pequena parte do barril seria feita de urânio altamente enriquecido, permitindo a rápida propagação do plasma num sistema relativamente estável.
Isso não quer dizer que nenhum calor gerado pela reação de fissão acabaria no barril. Ainda assim, pelos cálculos do autor como parte do seu relatório final, um sistema de resfriamento ativo deveria ser suficiente para baixar a temperatura a um ponto onde pelo menos o barril em si não derretesse. Outras partes do sistema, como o bico e o tambor giratório que auxilia no manuseio do pellet de combustível, serão modelados em trabalhos futuros.
Trabalhos futuros adicionais incluiriam a construção de protótipos de bancada destes sistemas para testá-los, embora a perspectiva de trabalhar com urânio altamente enriquecido como parte deste processo pareça assustadora. No entanto, o NIAC ainda não financiou um estudo de Fase II do sistema PPR, por isso, por enquanto, está resignado a um projecto bem modelado e a mais um passo em frente numa ideia que tem muita história. Talvez um dia encontre a hora de brilhar.
Saber mais:
Howe et al. – Foguete de plasma pulsado – desenvolvendo um processo de fissão dinâmico para alto impulso específico e propulsão de alto empuxo
UT – Motores de plasma de fusão magnética podem nos levar através do sistema solar até o espaço interestelar
UT – O propulsor de plasma pode reduzir drasticamente o tempo de voo para o sistema solar externo
UT – Foguete de plasma pode ajudar a coletar lixo espacial
Imagem principal:
Modelo de desenho do PPR proposto no artigo.
Crédito – Howe et al.
