Um novo conceito de motor de foguete termonuclear proposto

Um novo tipo de motor de foguete que poderia levar a humanidade a Marte e além foi proposto por um físico do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL).

O dispositivo usará campos magnéticos para forçar partículas de plasma, um gás eletricamente carregado também conhecido como o quarto estado da matéria, a voar para fora da parte traseira do foguete e, devido à conservação do momento, impulsionar a nave para frente. Os modernos propulsores de plasma testados no espaço usam campos elétricos para mover partículas.

O novo conceito vai acelerar as partículas por meio da reconexão magnética, um processo que tem sido observado em todo o universo, incluindo a superfície do Sol, na qual as linhas do campo magnético convergem, separam-se repentinamente e depois se unem novamente, produzindo muita energia. A reconexão também ocorre dentro de dispositivos de fusão conhecidos como tokamaks.

“Venho preparando esse conceito há um tempo”, disse a física principal do PPPL, Fatima Ebrahimi, a inventora do conceito e autora de um artigo que detalha a ideia no Journal of Plasma Physics.

“Tive a ideia em 2017, quando estava pensando nas semelhanças entre o escapamento do carro e as partículas de escapamento de alta velocidade criadas pelo National Spherical Torus Experiment (NSTX) PPPL,” o precursor do atual complexo de fusão carro-chefe do laboratório.

"Durante a operação, este tokamak produz bolhas magnéticas chamadas plasmóides (plasma confinado em circuitos magnéticos fechados) que se movem a uma velocidade de cerca de 20 quilômetros por segundo, o que me pareceu muito semelhante ao empuxo."

A fusão, a força que impulsiona o sol e as estrelas, combina elementos leves na forma de plasma - um estado quente e carregado de matéria composto de elétrons livres e núcleos atômicos que constituem 99% do universo visível - para gerar grandes quantidades de energia. Os cientistas estão se esforçando para replicar a fusão termonuclear na Terra, a fim de obter uma fonte quase inesgotável de energia para a geração de eletricidade.

Os propulsores de plasma modernos, usando campos elétricos para mover partículas, podem produzir apenas um pequeno impulso ou velocidade específica. Mas simulações feitas em computadores PPPL mostraram que o novo conceito de motor de plasma pode gerar gases de escape a centenas de quilômetros por segundo, 10 vezes mais rápido do que outros motores.

A velocidade mais alta da espaçonave pode tornar os planetas externos acessíveis aos humanos. “Viajar por longas distâncias leva meses ou anos porque o impulso específico dos motores de foguetes químicos é muito baixo, então leva tempo para o navio ganhar velocidade”, disse Fatima Ebrahimi. "Mas se criarmos motores baseados na reconexão magnética, talvez possamos fazer missões de longa distância em um período de tempo mais curto."

Existem três diferenças principais entre o novo conceito de motor e outros dispositivos. Primeiro, mudar a força do campo magnético pode aumentar ou diminuir o empuxo. "Usando mais eletroímãs e mais campos magnéticos, você pode girar o botão para ajustar a velocidade."

Em segundo lugar, o novo propulsor produz movimento ejetando partículas de plasma e bolhas magnéticas conhecidas como plasmóides. Os plasmóides adicionam potência ao sistema de propulsão e nenhum outro conceito de motor os inclui.

Terceiro, ao contrário dos conceitos modernos de propulsor que dependem de campos elétricos, os campos magnéticos de Ebrahimi permitem que o plasma dentro de um propulsor seja composto de átomos pesados ​​ou leves.

Essa flexibilidade permite que os cientistas ajustem o impulso para uma missão específica. “Enquanto outros motores requerem um gás pesado composto de átomos como o xenônio, neste conceito você pode usar qualquer tipo de gás que quiser”, disse Ebrahimi. Em alguns casos, os cientistas podem preferir um gás mais leve porque átomos menores podem se mover mais rápido.

Este conceito expande o portfólio de pesquisa de propulsão espacial do PPPL. Outros projetos incluem o Hall Thruster Experiment, que foi iniciado em 1999 pelos físicos do PPPL Eugene Raitses e Nathaniel Fisch para investigar o uso de partículas de plasma para sustentar espaçonaves. Eles também estão explorando a possibilidade de usar pequenos propulsores Hall para dar a pequenos satélites, chamados CubeSats, mais capacidade de manobra enquanto orbitam a Terra.

Ebrahimi ressaltou que o conceito de seu motor está diretamente relacionado à sua pesquisa no campo da energia de fusão. Este trabalho foi inspirado em trabalhos anteriores de fusão, e esta é a primeira vez que plasmóides e reconexão foram propostos para propulsão espacial. A próxima etapa é a prototipagem!