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Viagem a Marte em 39 dias? Como conseguir isso?

Espaconave segue viagem para Marte impulsionada pelo motor iônico VASIMR. Crédito: Ad Astra Company

Espaconave segue viagem para Marte impulsionada pelo motor iônico VASIMR. Crédito: Ad Astra Company

Usando os foguetes químicos tradicionais atualmente uma viagem até Marte levará cerca de 6 meses, na melhor das hipóteses.

Agora um novo foguete testado há duas semanas poderá possivelmente cortar o tempo de viagem ao planeta vermelho para apenas 39 dias. A empresa Ad Astra Rocket Company testou um foguete impulsionado a plasma chamado “VASIMR VX-200 engine”, que conseguiu atingir a marca de 201 quilowatts em uma câmera de vácuo, ultrapassando pela primeira vez a marca de 200-quilowatts.

A Estação Espacial Internacional vai ganhar motores iônicos em 2013

“Este é o mais poderoso foguete movido a plasma no mundo no momento”, disse Franklin Chang-Diaz, ex-astronauta da NASA e CEO da empresa Ad Astra. A companhia tem um acordo assinado com a NASA para testar o propulsor de 200-kilowatt “VASIMR engine” na Estação Espacial Internacional (ISS) em 2013.

Os testes na ISS irão prover impulsos periódicos a Estação Espacial, a qual gradualmente perde altitude devido ao arrasto atmosférico (atrito com o ar). Atualmente os impulsos são realizados por uma espaçonave com motores convencionais, que consomem cerca de 7,5 toneladas de propelentes por ano. Através do corte da quantidade necessária de combustível a apenas 0,3 toneladas por ano, Chang-Diaz estima que o motor VASIMR irá proporcionar a NASA a economia de milhões de dólares por ano.

O teste realizado há dias semanas mostrou o motor VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) operando pela primeira vez em potência máxima, mostrado no vídeo abaixo.

Os motores que operam com plasma, os motores iônicos, usam ondas de rádio para aquecer gases tais como o hidrogênio, o argônio e neônio, criando o plasma aquecido. Os campos magnéticos forçam a saída do plasma aquecido para fora do motor, produzindo o empuxo na direção oposta.

Para uso exclusivo no vácuo…

Eles fornecem bem menos empuxo em um determinado instante que os foguetes químicos, o que significa que eles não têm a capacidade de romper a gravidade terrestre e fornecer a energia necessária para atingir a velocidade de escape. Além disso, os motores iônicos apenas operam no vácuo. Uma vez no espaço, por outro lado, eles conseguem fornecer um impulso continuo por anos a fio, como o vento empurrando um barco a vela, acelerando-o a espaçonave até que ela esteja se movendo mais rapidamente que se tivesse sido impulsionada por foguetes químicos convencionais. Assim, os motores iônicos produzem um pequeno impulso, mas no espaço tal energia é mais que suficiente para mover duas toneladas de carga.

Gráfico da NASA mostra a capacidade dos diversos motores em relação ao Impulso Específico (I) e a Força de Impulsão (thrust)

Gráfico da NASA mostra a capacidade das diversas tecnologias de impulsão, comparando os valores de Impulso Específico (Isp), medido em segundos, contra a Força de Impulsão (Thrust), medida em Newtons. Crédito: NASA

Além de prover a alta velocidade requerida, será necessário bem menos combustível que os motores convencionais e isso também representa um grande ganho.

A missão Dawn que vai explorar Vesta e Ceres não seria possível sem a propulsão iônica…

Atualmente, a espaçonave Dawn, em seu caminho na direção para explorar o asteróide Vesta e o planeta-anão Ceres, usa a propulsão iônica. Este motor permitirá  a sonda Dawn orbitar Vesta e depois rumar para Ceres. Esta missão seria impossível tecnicamente se fossem usados motores convencionais químicos. Além disso, no espaço, estes motores iônicos permitem a espaçonave atingir velocidades 10 vezes maiores que usando os foguetes químicos.

A missão Dawn que irá visitar Vesta e Ceres é impulsionada por motor iônico.

A missão Dawn que irá visitar Vesta e Ceres é impulsionada por motor iônico.

A força de impulsão dos foguetes é medida em Newtons. O impulso específico (Isp) é uma maneira de descrever a eficiência dos motores e é medida em unidade de tempo (segundos). O Isp representa o impulso (mudança da quantidade de movimento) por unidade de combustível. Quanto maior o impulso especifico, menos combustível é necessário para o sistema ganhar uma dada quantidade de movimento.

Os motores iônicos da sonda Dawn tem um Isp (impulso especifico) de 3.100 segundos e uma força de 90 mNewtons. Um foguete químico em uma espaçonave teria uma força de impulsão de 500 Newtons e um impulso especifico de menos de 1.000 segundos.

Agora, o motor VASIMR consegue 4 Newtons de força de impulsão e um Isp de cerca de 6.000 segundos.

Flexibilidade e longevidade

O VASIMR tem duas caracteristicas importantes que o distiguem de outros propulsores a plasma. O sistema VASIMR tem a habilidade de variar os parâmetros de exaustão (força e impulso especifico) a fim de se ajustar de forma ótima às necessidades da missão. Esta capacidade acarreta na viagem mais curta possível com a maior carga para uma dada quantidade de combustível.

Diagrama do sistema VASIMR

Diagrama do sistema VASIMR:  os motores que operam com plasma usam ondas de rádio para aquecer gases tais como o hidrogênio, o argônio e neônio, criando o plasma aquecido. Os campos magnéticos forçam a saída do plasma aquecido para fora do motor, produzindo o empuxo na direção oposta.

Além disso o VASIMR não tem eletrodos físicos em contato com o plasma, o que aumenta a longevidade do motor e permite uma maior densidade de potência que em outros projetos.

Para realizar uma viagem a Marte em 39 dias, um motor iônico com 10 a 20 megawatts o motor VASIMR seria acoplado com força nuclear para reduzir dramaticamente o trânsito entre a Terra e Marte. Quanto mais curta a jornada, menor a exposição dos astronautas a perigosa radiação cósmica, bem como o tempo que permaneceriam em ambiente de microgravidade, dois grandes desafios para as missões de longa duração no espaço.

Princípios operacionais do sistema VASIMR. Crédito: Ad Astra Company

Princípios operacionais do sistema VASIMR. Crédito: Ad Astra Company

O motor a plasma iria trabalhar continuamente durante a primeira metade da viagem acelerando a espaçonave e em seguida trabalharia em sentido contrário para desacelerar o veículo na segunda fase da jornada. Além disso, VASIMR permitirá abortar a missão e retorno seguro a Terra se problemas inesperados ocorrerem no início da missão, uma capacidade inexistente nos motores químicos convencionais.

Adicionalmente, VASIMR poderá ser adaptado para suportar cargas pesadas das missões robóticas, e impulsionar missões de transporte de carga como alta produtividade. Os tempos de viagem e limitações da massa das cargas a transportar tem sido as maiores limitações dos motores convencionais químicos bem como dos foguetes termonucleares por causa de seu baixo Isp (impulso específico).

Chang-Diaz tem trabalhado no desenvolvimento do sistema VASIMR desde 1979, bem antes de fundar Ad Astra em 2005 onde agora este projeto está sendo desenvolvido.

Leia também:

Fontes e referências

New Scientist:

Universe Today: Trips to Mars in 39 Days por Nancy Atkinson

Physorg.com: Plasma Rocket Could Travel to Mars in 39 Days

6 comentários

3 menções

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  1. Jairo Grossi

    Uma fórmula simplificada, que relaciona a Força de Impulsão (F) com o Impulso Específico (Isp) é:

    F = Isp . (m/t) . g

    onde (m/t) é a massa de combustível consumida por unidade de tempo, e g é a gravidade.

    Fiquei intrigado, pois apesar de o VASIMR ter uma força de impulsão pequena (4N) em relação a do FOGUETE QUÍMICO (500 N), apresenta Isp 6 vezes maior.
    Na verdade, quem vai fazer esta diferença é o termo (m/t).
    Usando o gráfico da NASA que vocês colocaram, que na verdade é um gráfico Isp x F, podemos obter, por exemplo, uma relação (m/t) na região “chemical” de valor 100/400 = 0,25 N/s, e na região “ion” de valor 0,1/2000 = 0,00005 N/s.
    Quer dizer, no segundo caso (ion), a massa de combustível consumida por intervalo de tempo é MUITO menor.

    Pôxa, viajei neste post!
    Muito importante esta notícia. Se tudo der certo, esta nova tecnologia promete revolucionar as futuras viagens interplanetárias. Vamos torcer.

    Abraços

    1. ROCA

      Jairo,

      No documento de 2008 (1 ano antes do teste acima) citado abaixo o pessoal da Ad Astra fala de valores F = 5N e Isp = 4.000 até 5.000 segundos, usando Argônio.

      “Modern superconducting technology enables practical operation with high magnetic field strengths that provide efficient VASIMR operation with heavy propellants, such at argon. Thrust levels of 5 N and specific impulses of 4.000 to 5.000 seconds can be achieved using argon propellant in a 200 kW VASIMR system. The VX-200 is designed to demonstrate this performance level.”

      http://www.adastrarocket.com/ISGLP_JPSquire2008.pdf

    2. Jairo Grossi

      Valeu ROCA. Já dei uma olhada no link que você passou. Estou muito a fim de entender bem estes testes, porque acho que aí está o futuro da propulsão dos foguetes. Não tem como não ficar impressionado com as vantagens deste sistema.

  2. Mirian Martin

    E você tem idéia de quanto tempo demoraria para se chegar à Europa? Tanto numa viagem “normal” quanto usando destes foguetes?

    1. ROCA

      Quanto tempo para chegar em Europa?

      Vamos analisar alguns exemplos antes de tentar responder:

      Saturno – Cassini-Huygens é uma sonda controlada por um projeto da ESA+NASA para estudar Saturno e as suas luas. A nave espacial consiste de dois elementos principais: a Cassini orbiter e a sonda Huygens. A Cassini-Huygens foi lançada a 15 de Outubro de 1997 e entrou na órbita de Saturno no 1° de Julho de 2004. Levou quase 7 anos para chegar em Saturno.

      http://en.wikipedia.org/wiki/Cassini%E2%80%93Huygens

      Júpiter – Galileu foi uma sonda lançada pela NASA e gerenciada pelo Jet Propulsion Laboratory – JPL, com a finalidade de estudar o planeta Júpiter e as suas luas. Galileu foi lançado em 18 de Outubro de 1989 pelo ônibus espacial Atlantis, na missão STS-34. A sonda chegou a Júpiter no dia 7 de Dezembro de 1995 após uma viagem de 6 anos. Galileu passou por Vênus para pegar aceleração com sua gravidade.

      http://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_%28spacecraft%29

      Vesta e Ceres (cinturão de asteróides): a sonda Dawn que já tem motor iônico vai levar menos de 4 anos para chegar a Vesta no cinturão de asteróides, segundo o cronograma:
      • Setembro, 27, 2007: lançamento
      • Fevereiro, 17, 2009: passou por Marte -> assistência gravitacional
      • Julho, 2011: Vesta (chegada)
      • Julho, 2012: Vesta (partida)
      • Fevereiro, 2015: Ceres (chegada)
      • Julho, 2015: Fim da missão!

      http://en.wikipedia.org/wiki/Dawn_(spacecraft)
      http://www.nasa.gov/mission_pages/dawn/main/index.html

      New Horizons (Plutão): Esta é a sonda campeã, a mais rápida lançada até hoje, deixou a Terra na velocidade recorde de 16,26 km/s e se dirige a Plutão. Ela já passou (de passagem…) por Saturno.

      • Janeiro 19, 2006 — lançamento a partir da órbita terrestre
      • Abril 7, 2006 — Marte (menos de 4 meses)
      • Maio, 2006 — Entrou no cinturão de asteróides (em menos de 5 meses).
      • Outubro, 2006 — Deixou o cinturão de asteróides (em menos de 10 meses).
      • Fevereiro 28, 2007 — Júpiter flyby a 21,22 km/s (1 ano e 1 mês).
      • Junho 8, 2008 — Saturno (2 anos meio).

      http://en.wikipedia.org/wiki/New_Horizons

      Conclusão?

      Vesta está (em média) a 2,5 UA do Sol, Júpiter a 5,2 UA e Saturno a 9,6 UA

      Parece-me que uma sonda lançada com a técnica da New Horizons, mas equipada também com motor iônico (para acelerar e mais importante, para frear!!!) conseguiria chegar à lua Europa pouco mais de 1 ano… Mas a questão aqui é quando lançá-la? Depende da janela de lançamento, pois Júpiter pode estar bem mais afastado, ou não. Júpiter leva quase 12 anos para dar uma volta em torno do Sol…

    2. Mirian Martin

      🙂 Super!!

      (Numa dessas eu seria uma criança em Júpiter! Aniversário a cada 12 anos terrestres! 🙂 )

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