Propulsor elétrico da NASA bate recordes e pode levar-nos a Marte

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Scott Hall faz alguns ajustes finais no propulsor iónico X3 antes de um teste na Universidade de Michigan

Um propulsor que está a ser desenvolvido para uma futura missão da NASA para Marte quebrou vários recordes durante os testes, sugerindo que a tecnologia está no caminho para levar os humanos ao planeta vermelho nos próximos 20 anos.

O propulsor X3, projetado por investigadores da Universidade de Michigan, em cooperação com a NASA e a Força Aérea dos EUA, é um propulsor Hall – um sistema que impulsiona a aeronave acelerando uma corrente de átomos eletricamente carregados, ou iões.

Numa recente demonstração realizada no Centro de Pesquisa Glenn da NASA, o X3 quebrou recordes do máximo de potência, impulso e corrente operacional alcançados por um hélice Hall até hoje, de acordo com a equipa de pesquisa da Universidade de Michigan e representantes da NASA.

“Nós mostramos que o X3 pode operar com mais de 100 kW de potência”, disse o cientista Alec Gallimore, que lidera o projeto, em entrevista ao Space.com.

“O X3 funcionou numa enorme variedade de energia de 5 kW a 102 kW, com corrente elétrica de até 260 amperes, e gerou 5,4 Newtons de impulso, o maior nível de impulso alcançado por qualquer propulsor de plasma até ao momento”, acrescentou Gallimore. O recorde anterior era de 3,3 Newtons.

40 km por segundo

Os propulsores Hall e outros tipos de motores de iões usam eletricidade, geralmente gerada por painéis solares, para expelir o plasma – uma nuvem semelhante a gás de partículas carregadas – para fora de um bocal, gerando impulso. Esta técnica pode impulsionar a nave espacial a velocidades muito maiores do que os foguetes de propulsão química podem, de acordo com a NASA.

É por isso que os cientistas estão tão interessados ​​na aplicação potencial de propulsão iónica para viagens espaciais de longa distância. Considerando que a velocidade máxima que pode ser alcançada por um foguete químico é de cerca de 5 quilómetros por segundo, um propulsor Hall poderia levar uma embarcação até 40 km/s, diz Gallimore.

Os motores de iões também são conhecidos por serem mais eficientes do que os foguetes de potência química. Uma nave espacial com propulsão Hall levaria carga e astronautas a Marte usando muito menos material propulsor do que um foguete químico.

Um propelente comum para propulsores de iões é o xenónio.  A nave espacial Dawn da NASA, que atualmente está em órbita no planeta anão Ceres, usa esse mesmo gás.

“Pode-se pensar na propulsão elétrica como tendo 10 vezes os quilómetros por litro em comparação com a propulsão química”, disse Gallimore ao Space.com.

JPL-Caltech / NASA

Nave espacial Dawn, conceito artístico

Em busca de mais Watts

O ponto negativo dos propulsores de iões, no entanto, é que possuem um impulso muito baixo e, por isso, devem operar por um longo tempo para acelerar uma nave espacial a altas velocidades, de acordo com a NASA.

Além disso, os propulsores de iões não são poderosos o suficiente para superar a atração gravitacional da Terra, portanto não podem ser usados ​​para lançar a nave espacial, que teria que ser lançada para além da órbita terrestre por um foguete tradicional.

“Os sistemas de propulsão química podem gerar milhões de kilowatts de energia, enquanto os sistemas elétricos existentes só conseguem 3 a 4 quilowatts”, explica Gallimore. Os propulsores Hall comercialmente disponíveis não são poderosos o suficiente para impulsionar uma nave tripulada até Marte, acrescentou.

“O que precisamos para a exploração humana é um sistema que possa processar algo como 500 mil watts (500 kW), ou mesmo um milhão de watts ou mais”, aponta Gallimore. “Algo como 20, 30 ou mesmo 40 vezes o poder dos sistemas convencionais de propulsão elétrica”.

É aí que entra o X3. Gallimore e a equipa estão a abordar o problema da energia, tornando o propulsor maior do que outros sistemas e desenvolvendo um design que aborda uma das falhas da tecnologia.

“Nós descobrimos que, em vez de ter um canal de plasma, onde o plasma gerado é esgotado do propulsor e produz impulso, teríamos vários canais no mesmo propulsor, um canal aninhado”, explica.

De acordo com Gallimore, o uso de três canais permitiu que os engenheiros tornassem o X3 muito menor e mais compacto em comparação com o tamanho de um propulsor de Hall de canal único.

A equipa da Universidade de Michigan tem trabalhado na tecnologia em cooperação com a Força Aérea desde 2009. Primeiro, os cientistas desenvolveram uma hélice de dois canais, o X2, antes de passar para o X3, mais poderoso e com três canais.

Em fevereiro de 2016, a equipa associou-se à Aerojet Rocketdyne, fabricante de foguetes com sede na Califórnia, que está a desenvolver um novo sistema de propulsão elétrica, chamado XR-100, para o programa NASA Next Space Technologies for Exploration Partnerships ou NextSTEP. O propulsor X3 é uma parte central do sistema XR-100.

Scott Hall, doutorando da Universidade de Michigan que trabalhou no projeto X3 nos últimos cinco anos, disse que o trabalho tem sido bastante desafiador devido ao tamanho do propulsor.

“É pesado, tem 227 quilos e quase um metro de diâmetro. A maioria dos propulsores Hall são o tipo de coisa que uma ou duas pessoas podem pegar e carregar no laboratório. Precisamos de um guindaste para mover o X3”, diz Hall.

No próximo ano, a equipa executará um teste ainda maior, que visa provar que o propulsor pode operar a plena potência por 100 horas.

Gallimore diz que os engenheiros também estão a projetar um sistema especial de blindagem magnética que deixaria o plasma longe das paredes do propulsor para evitar danos e permitir que o propulsor funcione de forma confiável por períodos de tempo ainda mais longos.

Segundo Gallimore, sem a blindagem, uma versão de voo X3 provavelmente começaria a ter problemas após várias mil horas de operações. Uma versão blindada magneticamente pode ser executada por vários anos com força total.