Novo Estudo de Professor da Universidade da Virginia (UVA) Visa Impulsionar Foguetes Espaciais da Próxima Geração de Forma Mais Eficiente, Mais Rápida e Indo Mais Longe

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Imagem: Space Daily

Ilustrativo.

 

No dia de hoje (04/01), o portal Space Daily noticiou que esse é o objetivo que impulsiona engenheiros de propulsão de espaçonaves, como Chen Cui, novo professor assistente da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Virgínia. Cui está explorando maneiras de melhorar os propulsores de propulsão elétrica - uma tecnologia chave para futuras missões espaciais.

 

"Para garantir que a tecnologia permaneça viável para missões de longo prazo, precisamos otimizar a integração da propulsão elétrica com os sistemas das espaçonaves", disse Cui.

 

Trabalhando com seu ex-orientador, o professor Joseph Wang, da Universidade da Califórnia do Sul, Cui publicou descobertas no mês passado na Plasma Sources Science and Technology que oferecem novos insights sobre o comportamento cinético dos elétrons dentro de feixes de plasma, talvez revelando a "forma" das coisas que estão por vir.

 

O Futuro da Exploração Espacial

 

Cui, que se juntou ao Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial no outono, concentra sua pesquisa em entender como os elétrons - pequenas partículas carregadas e rápidas - se comportam nos feixes de plasma emitidos pelos propulsores de propulsão elétrica.

 

"Essas partículas podem ser pequenas, mas seu movimento e energia desempenham um papel importante na determinação da dinâmica macroscópica da pluma emitida pelo propulsor de propulsão elétrica", disse ele.

 

Estudando essas interações microscópicas, Cui busca entender melhor como a pluma de plasma emitida interage com a própria espaçonave.

 

A propulsão elétrica funciona ionizando um gás neutro, geralmente xenônio, e depois usando campos elétricos para acelerar os íons resultantes. Os íons, agora formando um feixe de plasma de alta velocidade, empurram a espaçonave para frente.

 

Em comparação com foguetes químicos, os sistemas de propulsão elétrica são muito mais eficientes em termos de combustível, permitindo que as espaçonaves viajem mais longe carregando menos combustível. Esses sistemas geralmente são alimentados por painéis solares ou pequenos reatores nucleares, tornando-os ideais para missões longas no espaço, como o programa Artemis da NASA, que visa devolver os humanos à Lua e, eventualmente, enviar astronautas para Marte e além.

 

No entanto, a pluma emitida pelos propulsores não é apenas exaustão - é a linha de vida de todo o sistema de propulsão. Se não for bem entendida, a pluma pode causar problemas inesperados. Algumas partículas podem fluir de volta em direção à espaçonave, potencialmente danificando componentes importantes da nave, como painéis solares ou antenas de comunicação.

 

"Para missões que podem durar anos, os propulsores de propulsão elétrica devem operar de maneira suave e consistente por longos períodos de tempo", disse Cui. Isso significa que cientistas e engenheiros devem ter uma compreensão profunda de como a pluma de plasma se comporta para evitar danos potenciais.

 

O Que a Pesquisa Descobriu

 

Cui se especializa na construção de simulações avançadas por computador para estudar como o plasma se comporta nos fluxos de plasma dos propulsores de propulsão elétrica. Essas não são apenas simulações quaisquer. Elas são alimentadas por supercomputadores modernos e utilizam um método chamado simulação de Vlasov, um método computacional avançado "sem ruído".

 

Os elétrons em um feixe de propulsão elétrica não se comportam exatamente como os modelos simples preveem. Eles se comportam de maneira diferente em diferentes temperaturas e velocidades, criando padrões distintos.

 

Ser capaz de ver precisamente a complexidade das interações dos elétrons, enquanto se elimina dados que confundem a visão geral, é fundamental.

 

"Os elétrons são muito parecidos com bolinhas de gude empacotadas em um tubo", disse Cui. "Dentro do feixe, os elétrons estão quentes e se movem rapidamente. Sua temperatura não muda muito se você seguir na direção do feixe. No entanto, se as 'bolinhas' saírem do meio do tubo, elas começam a esfriar. Esse resfriamento acontece mais em certas direções, a direção perpendicular à direção do feixe."

 

No artigo mais recente, eles descobriram que a distribuição de velocidade dos elétrons mostra uma forma quase Maxwelliana [semelhante a uma curva de sino] na direção do feixe e o que eles descrevem como um perfil de "chapéu de copa" na direção transversal do feixe.

 

Além disso, Cui e Wang descobriram que o fluxo de calor dos elétrons - a principal forma de energia térmica se mover através do feixe de plasma da propulsão elétrica - ocorre principalmente ao longo da direção do feixe, com dinâmicas únicas que não haviam sido totalmente capturadas em modelos anteriores.

 

Relatório de Pesquisa: Vlasov Simulations of Electric Propulsion Beam

 

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