Propulsor Supercondutor de Pesquisadores Chineses, Reduz Potência e Massa Para Propulsão Espacial

Caros entusiastas do BS!

 

Credito: Space Daily

Ilustrativo.

 

No dia de ontem (25/02), o portal Space Daily noticiou que pesquisadores do Instituto de Física de Plasma, vinculado aos Institutos de Ciências Físicas de Hefei (HFIPS-CAS) da Academia Chinesa de Ciências (CAS), estão desenvolvendo um propulsor supercondutor capaz de reduzir significativamente a potência necessária e a massa dos sistemas de propulsão espacial.

 

Segundo a noticia do portal, pequenos satélites tornaram-se atraentes para missões espaciais porque oferecem baixo custo e flexibilidade, mas seu crescimento tem sido limitado pela falta de sistemas de propulsão compactos e eficientes que funcionem bem no vácuo do espaço. Em órbita, as espaçonaves só podem alterar seu movimento por meio da força de reação, e foguetes químicos tradicionais produzem empuxo queimando combustível para gerar gases em alta temperatura que são expelidos em alta velocidade. Essa abordagem é altamente ineficiente, com mais de 90% da massa de lançamento de um foguete frequentemente destinada ao propelente, o que restringe a capacidade de carga útil e eleva os custos das missões.

 

A propulsão elétrica oferece um caminho diferente ao funcionar como um veículo elétrico espacial que utiliza energia elétrica para acelerar partículas carregadas, ou plasma, a fim de gerar empuxo. Ao depender de forças eletromagnéticas em vez da liberação de energia química, os sistemas de propulsão elétrica podem alcançar eficiência muito maior do que os motores químicos convencionais e sustentar empuxo por períodos mais longos. Isso os torna especialmente atraentes para missões no espaço profundo, elevação de órbita e manutenção de posição de constelações avançadas de satélites, nas quais a economia de propelente se traduz diretamente em maior vida útil da missão e menor massa de lançamento.

 

Dentro da propulsão elétrica, os propulsores magnetoplasmadinâmicos, ou MPDTs, destacam-se como uma opção de alto desempenho que utiliza campos magnéticos intensos interagindo com correntes elétricas para acelerar o plasma a velocidades extremamente altas. Em termos simples, um MPDT funciona como um canhão eletromagnético espacial que direciona e acelera plasma quente usando campos magnéticos, oferecendo eficiência de propulsão de oito a dez vezes maior do que a dos foguetes químicos tradicionais. No entanto, os MPDTs convencionais dependem de bobinas eletromagnéticas massivas de cobre que normalmente pesam mais de 150 quilogramas e consomem entre 200 e 300 quilowatts de potência, comparável ao consumo de eletricidade de uma pequena comunidade, o que dificulta sua integração em plataformas de espaçonaves miniaturizadas.

 

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Jinxing Zheng, do Instituto de Física de Plasma, dos Institutos de Ciências Físicas de Hefei, da Academia Chinesa de Ciências, relatou agora um grande avanço ao desenvolver o primeiro propulsor magnetoplasmadinâmico supercondutor de alta temperatura compacto da China. A equipe substituiu as volumosas e intensivas em energia bobinas de cobre por material supercondutor YBCO que opera a temperaturas de nitrogênio líquido de cerca de menos 196 graus Celsius. Essa mudança permitiu reduzir o consumo de energia de 285 quilowatts para menos de 1 quilowatt e diminuir a massa do sistema de 220 quilogramas para 60 quilogramas, viabilizando sistemas de propulsão de satélites mais leves e acessíveis, que exigem menos das fontes de energia a bordo.

 

Segundo os autores, essas reduções de massa e potência abrem caminho para que satélites pequenos e médios transportem um sistema de propulsão potente e eficiente sem a penalidade de sistemas elétricos superdimensionados e estruturas pesadas. Equipamentos de propulsão mais leves e menor consumo de energia podem facilitar o gerenciamento térmico da espaçonave, simplificar a integração de sistemas e apoiar perfis de missão mais flexíveis. O trabalho, publicado na revista National Science Review sob o título “High performance in high-temperature superconducting MPD thrusters: Analytical MHD modeling and experimental demonstration”, destaca como supercondutores de alta temperatura podem resolver gargalos de longa data na propulsão elétrica avançada.

 

Resultados experimentais do novo propulsor mostram que ele alcançou um impulso específico de 3.265 segundos com potência de entrada de 12 quilowatts, indicando que pode fornecer empuxo sustentado com consumo muito baixo de propelente. Para comparação, foguetes químicos típicos oferecem impulsos específicos de cerca de 300 segundos, de modo que o MPDT supercondutor proporciona uma melhoria de uma ordem de magnitude na eficiência do propelente. Esse desempenho pode reduzir drasticamente as necessidades de combustível e os custos de lançamento de espaçonaves, especialmente em missões que exigem grandes variações de velocidade ou longos períodos operacionais.

 

Além da demonstração do hardware, a equipe de pesquisa estabeleceu um modelo magnetohidrodinâmico analítico abrangente que relaciona a intensidade do campo magnético, a taxa de fluxo de massa e o desempenho de empuxo no MPDT supercondutor de alta temperatura. O modelo fornece uma descrição detalhada de como o comportamento do plasma e as forças eletromagnéticas atuam conjuntamente dentro do canal do propulsor, além de oferecer uma ferramenta preditiva para orientar futuras otimizações de projeto. Ao capturar com precisão a interação entre parâmetros operacionais e desempenho, o modelo pode ajudar engenheiros a adaptar propulsores a requisitos específicos de missão e restrições de espaçonaves.

 

O avanço indica que futuras espaçonaves equipadas com MPDTs supercondutores de alta temperatura poderão cumprir objetivos de missão com massa de propelente significativamente menor e redução do peso total do sistema. Essa capacidade pode apoiar explorações mais ambiciosas do espaço profundo, permitir manobras ágeis em constelações de satélites e reduzir barreiras de entrada para novos atores espaciais. À medida que materiais supercondutores de alta temperatura e tecnologias de suporte criogênico continuam a evoluir, propulsores supercondutores compactos podem se tornar um componente essencial das arquiteturas de transporte espacial de próxima geração e alta eficiência.

 

Relatório de Pesquisa: High performance in high-temperature superconducting MPD thrusters: Analytical MHD modeling and experimental demonstration

 

Brazilian Space

 

Brazilian Space

Espaço que inspira, informação que conecta!