O futuro da exploração espacial inclui alguns planos bastante ambiciosos para enviar missões mais longe da Terra do que nunca. Além das propostas actuais para a construção de infra-estruturas no espaço cis-lunar e o envio de missões regulares tripuladas à Lua e a Marte, há também planos para enviar missões robóticas para o sistema solar exterior, para a distância focal das lentes gravitacionais do nosso Sol, e até para as estrelas mais próximas para explorar exoplanetas. Alcançar esses objetivos requer propulsão de última geração que possa permitir alto empuxo e aceleração consistente.



Matrizes focadas de lasers – ou energia dirigida (DE) – e velas leves são meios que estão sendo investigados extensivamente – como Breakthrough Starshot e Swarming Proxima Centauri. Além destas propostas, uma equipa da Universidade McGill em Montreal propôs um novo tipo de sistema de propulsão de energia dirigida para explorar o sistema solar. Num artigo recente, a equipa partilhou os primeiros resultados da sua instalação de propulsão térmica a laser (LTP), o que sugere que a tecnologia tem o potencial de fornecer tanto impulso elevado como impulso específico para missões interestelares.

A equipe de pesquisa foi liderada por Gabriel R. Dube, estagiário de pesquisa de graduação do McGill Interstellar Flight Experimental Research Group (IFERG), e pelo professor associado Andrew Higgins, o investigador principal do IFERG. A eles se juntaram Emmanuel Duplay, pesquisador graduado da Technische Universiteit Delft (TU Delft); Siera Riel, Assistente de Pesquisa de Verão do IFERG; e Jason Loiseau, professor associado do Royal Military College Of Canada.

A equipe apresentou seus resultados no Fórum e Exposição de Ciência e Tecnologia da AIAA de 2024 e em um artigo publicado no Fórum AIAA SCITECH 2024 .

Higgins e seus colegas propuseram originalmente esse conceito em um artigo de 2022 publicado na Acta Astronautica intitulado "Projeto de uma missão de trânsito rápido para Marte usando propulsão térmica a laser."

Conforme relatado pela Universe Today na época, o LTP foi inspirado em conceitos interestelares como Starshot e Projeto Dragonfly. No entanto, Higgins e os seus associados da McGill estavam interessados ​​em saber como a mesma tecnologia poderia permitir missões de trânsito rápido para Marte em apenas 45 dias e em todo o sistema solar. Este método, argumentaram, também poderia validar as tecnologias envolvidas e funcionar como um trampolim para missões interestelares.

Como Higgins disse ao Universe Today por e-mail, o conceito surgiu durante a pandemia, quando não conseguiram entrar no laboratório:

"[Meus] alunos fizeram um estudo conceitual detalhado de como poderíamos usar o tipo de grandes conjuntos de laser previstos para o Breakthrough Starshot para uma missão de curto prazo no sistema solar. Em vez de 10 km de diâmetro, 100- Laser GW previsto para o Breakthrough Starshot, nos limitamos a um laser de 10 m de diâmetro e 100 MW e mostramos que ele seria capaz de fornecer energia a uma espaçonave quase à distância da lua, aquecendo o propelente de hidrogênio a 10.000s. de K, o laser permite o 'Santo Graal' de alto empuxo e alto impulso específico."

O conceito é semelhante à propulsão térmica nuclear (NTP), que a NASA e a DARPA estão atualmente desenvolvendo para missões de trânsito rápido a Marte. Em um sistema NTP, um reator nuclear gera calor que faz com que o propelente de hidrogênio ou deutério se expanda, que é então concentrado através de bicos para gerar empuxo.

Neste caso, os lasers phased array são focados em uma câmara de aquecimento de hidrogênio, que é então exaurido através de um bocal para realizar impulsos específicos de 3.000 segundos. Desde que Higgins e seus alunos retornaram ao laboratório, disse ele, eles têm tentado verificar experimentalmente sua ideia:

"Obviamente, não temos um laser de 100 MW na McGill, mas agora temos um laser de 3 quilowatts configurado no laboratório (o que é bastante assustador) e estamos estudando como o laser acoplaria sua energia a um propelente ( eventualmente hidrogênio, mas por enquanto argônio apenas porque é mais fácil de ionizar). O artigo da AIAA relata o projeto, construção e 'remoção' de nossa instalação de laser de 3 kW.

Higgins e sua equipe construíram um aparelho contendo de 5 a 20 barras de gás argônio estático a partir de seus testes. Embora o conceito final utilize gás hidrogênio como propelente, eles usaram gás argônio para o teste porque é mais fácil de ionizar. Eles então dispararam o laser de 3 kW em pulsos a uma frequência de 1.070 nanômetros (correspondendo ao comprimento de onda do infravermelho próximo) para determinar a potência limite necessária para o plasma sustentado por laser (LSP). Seus resultados indicaram que cerca de 80% da energia do laser foi depositada no plasma, o que é consistente com estudos anteriores.

A pressão e os dados espectrais adquiridos também revelaram o pico da temperatura do LSP com o gás de trabalho, embora enfatizem que são necessárias mais pesquisas para resultados conclusivos. Eles também enfatizaram que é necessário um aparelho dedicado para realizar testes de fluxo forçado e outros testes de LSP. Por último, a equipe planeja realizar medições de empuxo ainda este ano para avaliar quanta aceleração (delta-v) e impulso específico (Isp) um sistema de propulsão térmica a laser pode fornecer para futuras missões a Marte e outros planetas do sistema solar.

Se a tecnologia estiver à altura da tarefa, poderemos estar a olhar para um sistema capaz de levar astronautas a Marte em semanas, em vez de meses. Outros conceitos selecionados para o NIAC deste ano incluem testes para avaliar sistemas de hibernação para missões de longa duração em microgravidade. Sozinhas ou em combinação, estas tecnologias poderiam permitir missões de trânsito rápido que requerem menos carga e suprimentos e minimizar a exposição dos astronautas à microgravidade e à radiação.

Mais informações: Gabriel R. Dubé et al, Plasma sustentado por laser para propulsão do espaço profundo:resultados iniciais do propulsor LTP, Fórum AIAA SCITECH 2024 (2024). DOI:10.2514/6.2024-2029
Fornecido por Universe Today