Nos próximos quinze anos, a NASA, a China e a SpaceX planeiam enviar as primeiras missões tripuladas a Marte. Nos três casos, estas missões pretendem culminar na criação de habitats superficiais que permitirão muitos regressos e – muito possivelmente – assentamentos humanos permanentes. Isto apresenta inúmeros desafios, um dos maiores dos quais é a necessidade de bastante ar respirável e propelente. Ambos podem ser fabricados através de eletrólise, onde campos eletromagnéticos são aplicados à água (H2O) para criar gás oxigênio (O2) e hidrogênio líquido (LH2).
Embora Marte tenha amplos depósitos de gelo de água na sua superfície que tornam isto viável, as soluções tecnológicas existentes ficam aquém dos níveis de fiabilidade e eficiência necessários para a exploração espacial. Felizmente, uma equipe de pesquisadores da Georgia Tech propôs um “Acionamento magnetohidrodinâmico para produção de hidrogênio e oxigênio na transferência de Marte”que combina múltiplas funcionalidades em um sistema sem peças móveis. Este sistema poderia revolucionar a propulsão de naves espaciais e foi selecionado por Conceitos avançados inovadores da NASA (NIAC) para o desenvolvimento da Fase I.
A proposta vem de Álvaro Romero-Calvoprofessor assistente do Instituto de Tecnologia da Geórgia, e seus colegas do Corporação de pesquisa tecnológica da Geórgia (GTRC). O sistema emprega uma célula eletrolítica magnetohidrodinâmica (MHD), que depende de campos eletromagnéticos para acelerar fluido eletricamente condutor (neste caso, água) sem quaisquer partes móveis. Isso permite que o sistema extraia e separe o oxigênio e o hidrogênio em microgravidade, eliminando a necessidade de recirculação forçada de água e equipamentos associados (ou seja, bombas ou centrífugas).
Como especialista em ciência da baixa gravidade, mecânica dos fluidos e magnetohidrodinâmica, Romero-Calvo e sua equipe passaram muitos anos investigando as aplicações de sistemas MHD para voos espaciais. A necessidade de um estudo dedicado para avaliar a viabilidade do conceito e integração numa arquitetura adequada de produção de oxigénio motivou finalmente a sua proposta. Em um estudo anterior, Romero-Calvo e coautor Dra.Katharina Brinkert (professor de Química na Universidade de Warwick) observou como a água coletada in situ reduziria as massas de lançamento dos veículos.
No entanto, também observaram que a operação deste tipo de maquinaria em microgravidade apresentava muitas incógnitas, muitas das quais não são abordadas pela investigação atual. Em particular, sublinharam como a ausência de flutuabilidade na microgravidade resulta em grandes desafios técnicos, como a necessidade de separar e recolher bolhas de oxigénio e hidrogénio, que era tradicionalmente abordada através de circuitos de recirculação forçada de água. No entanto, argumentaram, isto leva a dispositivos de gestão de líquidos compostos por múltiplos elementos e peças móveis, que são complexos, ineficientes e não fiáveis no espaço. Como Romero-Calvo explicou em um recente artigo da Georgia Tech comunicado de imprensa:
“A ideia de usar forças MHD para bombeamento de líquidos é explorada no thriller de 1990 A caça ao Outubro Vermelho, onde um submarino soviético furtivo movido por uma unidade MHD deserta para os Estados Unidos. Embora seja divertido ver Sean Connery desempenhando o papel de comandante de submarino soviético, a verdade é que a propulsão MHD submarina é muito ineficiente. Nosso conceito, pelo contrário, funciona no ambiente de microgravidade, onde a fraca força MHD se torna dominante e pode levar a capacidades de habilitação de missão.”
Em vez dos circuitos de recirculação tradicionais, o sistema MHD proposto baseia-se em dois mecanismos distintos para separar o oxigénio e o hidrogénio da água. A primeira vem das forças diamagnéticas, que surgem na presença de campos magnéticos fortes e resultam num efeito de flutuabilidade magnética. Em segundo lugar, existem as forças de Lorentz, que são consequência da imposição de um campo magnético à corrente gerada entre dois eletrodos. Como Romero-Calvo observou em seu documento de proposta:
“Ambas as abordagens podem potencialmente levar a uma nova geração de células eletrolíticas com um mínimo ou nenhuma peça móvel, permitindo assim operações humanas no espaço profundo com penalidades mínimas de massa e potência. Estimativas preliminares indicam que a integração de funcionalidades leva a reduções em massa no orçamento de até 50% em relação à arquitetura do Conjunto de Geração de Oxigênio para um nível de confiabilidade de 99%. Esses valores se aplicam a uma transferência padrão de quatro tripulantes para Marte com consumo de oxigênio de 3,36 kg por dia.”
Se for bem sucedido, este sistema HMD permitiria a reciclagem de água e gás oxigênio em viagens espaciais de longo prazo. Romero-Calvo e outros colegas do Escola Daniel Guggenheim de Engenharia Aeroespacial na Georgia Tech demonstrou em outro papel que esta tecnologia também poderia ter aplicações para propulsão SmallSat baseada em água e outros perfis de missão onde o ISRU é obrigatório. Atualmente, Romero-Calvo e seus colegas formularam o conceito e desenvolveram modelos analíticos e numéricos.
A próxima etapa envolverá a equipe e seus parceiros da Giner Labs (uma empresa de P&D eletroquímica com sede em Massachusetts) conduzindo estudos de viabilidade. Nos próximos nove meses, eles receberão US$ 175 mil para explorar a viabilidade geral do sistema e o nível de prontidão tecnológica. Estes consistirão principalmente em estudos computacionais, mas incluirão protótipos que testam tecnologias-chave aqui na Terra. Como proposta da Fase I, eles também serão elegíveis para competir pelo financiamento da Fase II no valor de US$ 600.000 para um estudo de dois anos.
Um dos primeiros demonstradores desta tecnologia foi testado a bordo do 24º voo do New Sheperd (NS-24), uma missão não tripulada lançada em 19 de dezembro de 2023. Com o apoio da Blue Origin e da Sociedade Americana de Gravitação e Pesquisa Espacial (ASGSR) , A equipe de Romero-Calvo testou como os ímãs eletrolisam a água em condições de microgravidade. Os dados deste voo e dos próximos testes informarão um protótipo de eletrolisador HMD e poderão levar a um sistema integrado a bordo de futuras missões espaciais. Disse Romero-Calvo:
“Estávamos estudando os regimes de fluxo magnetohidrodinâmicos fundamentais que surgem quando aplicamos um campo magnético a eletrolisadores de água em condições de voo espacial”, explicou Romero-Calvo. “O experimento Blue Origin, em combinação com nosso colaboração atual com a Profa. Katharina Brinkert‘O grupo da Universidade de Warwick nos ajudará a prever o movimento das bolhas de oxigênio na microgravidade e sugere como podemos construir um futuro eletrolisador de água para humanos.”
Leitura adicional: NASA, Tecnologia da Geórgia
