Sistemas de propulsão elétrica solar são o que precisamos para viagens eficientes a Marte

Tecnologias alternativas de propulsão têm ganhado força em diversas aplicações no espaço profundo. Agora, uma equipa de cientistas de Espanha estudou preliminarmente o que seria necessário para enviar uma sonda a Marte utilizando propulsão totalmente elétrica depois de deixar a Terra.

Os sistemas de propulsão elétrica apresentam diversas vantagens sobre os foguetões químicos. Embora nunca possam ser ampliados o suficiente para colocar qualquer coisa pesada em órbita, uma vez no espaço, estes são extraordinariamente eficientes na movimentação de cargas úteis para onde precisam ir.

Embora um foguetão típico (propulsão química) exija que 70-90% da sua massa de lançamento seja utilizada como combustível, um sistema de propulsão elétrico pode sobreviver com apenas 10-40% da sua massa de lançamento como combustível. A compensação a ser feita está no impulso.

Os sistemas de propulsão elétrica normalmente têm um impulso pelo menos quatro ordens de magnitude menor do que o criado por foguetes químicos. Entretanto, no espaço, os sistemas de propulsão elétrica são muito mais lentos, sendo este um ponto negativo.

No entanto, isso pode não ser uma preocupação tão grande para missões não tripuladas. Até agora, ninguém considerou que diferença poderia haver entre uma missão a Marte conduzida por propulsão elétrica em vez de propulsão química.

Propulsão elétrica: sim ou não?

O estudo mais próximo foi elaborado para uma visita às luas de Marte – Fobos e Deimos – que dependia inteiramente de propulsão elétrica. Nesse estudo, os pesquisadores descobriram que a opção de propulsão química exigiria 2,5 vezes mais massa que a opção de propulsão elétrica.

Em um novo estudo, os pesquisadores concentraram-se em uma trajetória que colocaria uma nave espacial de 2 mil kg em uma órbita polar em torno de Marte entre 300 km e 1000 km.

Com estas restrições de missão, os investigadores consideraram vários tipos diferentes de sistemas de propulsão elétrica. Criaram um requisito adicional que deve operar na faixa de impulso superior de muitos sistemas de propulsão elétrica. Um impulso de 0,1 N é o mínimo necessário para entrar em órbita ao redor de Marte com sucesso.

Esta restrição levou à seleção do BHT-6000 como sistema de propulsão primário da missão. Este é um propulsor de efeito Hall que opera com potência entre 2 e 6 kW e pode usar propulsores elétricos relativamente comuns, como Xenon e Krypton.

Os investigadores utilizaram um modelo multicorpo para mapear o impacto gravitacional da trajetória selecionada. Em seguida, realizaram simulações de uma missão com um propelente químico padrão e o BHT-6000. O que descobriram parecia estar de acordo com as expectativas gerais sobre as vantagens da propulsão elétrica. Em termos de velocidade, o foguete químico foi mais rápido, mas não de forma flagrante.

Um foguetão químico poderia fazer a viagem em pouco menos de um ano, enquanto uma missão movida a BHT-6000 levaria aproximadamente 3.2 anos. Contudo, o peso do sistema de propulsão química seria 2.4 vezes superior ao do sistema de propulsão elétrico.

Mesmo com um custo de lançamento relativamente conservador de 10 mil dólares o kg, isto colocaria a poupança de custos de um sistema de propulsão elétrica em quase 30 milhões de dólares em relação à alternativa química.

Esta é uma compensação que muitas agências de exploração espacial pagariam de bom grado devido aos orçamentos limitados. Mas, até agora, este é apenas um modelo, pois não existe nenhuma missão planeada no espaço profundo que utilize este método de propulsão elétrica como sistema de propulsão principal, embora algumas missões no espaço profundo, como a Hayabusa-2, já o tenham feito.

Referência da notícia:
Casanova-Álvarez M., Navarro-Medina F., Tommasini D. Feasibility study of a Solar Electric Propulsion mission to Mars. Acta Astronautica, Volume 216 (2024).