Para a próxima geração de missões de exploração do espaço profundo da NASA, a espaçonave pode precisar reabastecer na órbita da Terra antes de entrar no sistema solar. Assim como uma bomba de gasolina precisa de um bocal para caber em seu tanque de combustível, futuras espaçonaves poderão precisar de um dispositivo especial para enchê-la antes da partida, conhecido como frasco criogênico.
A criogenia permitirá que naves espaciais se conectem a futuros depósitos orbitais de propulsores, que servirão como postos de gasolina no espaço. Esta tecnologia apresenta o desafio de transportar de forma confiável fluidos criogênicos ou criogênicos, sem perda de propulsor ou desempenho. Propelentes criogênicos, como o hidrogênio líquido e o oxigênio líquido, devem permanecer resfriados a centenas de graus abaixo de zero Fahrenheit, o que impõe requisitos rigorosos aos materiais, vedações e mecanismos que os movem.
“O reabastecimento criogênico em órbita entre duas espaçonaves ainda não foi alcançado e continua sendo um dos desafios de engenharia mais difíceis em voos espaciais”, disse Travis Belcher, gerente de projetos de acopladores criogênicos no Marshall Space Flight Center da NASA em Huntsville, Alabama. “As transferências de propulsores são essenciais para os tipos de missões que a NASA deseja realizar no futuro, portanto, desenvolver um acoplador que possa lidar com propulsores ultrafrios é um passo crítico para tornar esta capacidade uma realidade.”
Acopladores terrestres como os usados para preencher o SLS (Sistema de Lançamento Espacial) para as missões Artemis não são uma opção para transferências de propulsores em órbita. Esses acopladores são liberados rapidamente durante o lançamento do foguete e devem ser recolocados manualmente para o próximo vôo. Eles também não foram projetados para operar no ambiente hostil do espaço e são muito maiores do que poderiam ser usados para reabastecer o tanque de combustível de uma espaçonave em órbita.
Para enfrentar esses desafios, a NASA testou um acoplamento criogênico desenvolvido pela L3Harris.
“Os acopladores criogênicos nos quais estamos trabalhando podem ser acoplados e desconectados várias vezes e são totalmente automatizados, de modo que os astronautas não terão que fazer caminhadas espaciais para transferir o propelente”, disse Belcher. “Eles são meticulosamente projetados para manter o espaço e o tamanho dos designs de gabinete esperados.”
A equipe conjunta da NASA e L3Harris conduziu recentemente dois tipos de testes na NASA Marshall. Para garantir que o acoplador criogênico pudesse lidar com as temperaturas extremamente baixas às quais seria exposto, eles passaram nitrogênio líquido a -321 graus Fahrenheit por meio de múltiplas configurações conectadas e separadas para observar como o acoplador reagia à contração térmica, ao fluxo e às grandes diferenças de temperatura entre o propelente e o material.
A equipe também submeteu o acoplador criogênico a testes operacionais para determinar seus limites de desempenho. Nesta configuração, metade do acoplador foi montada em uma mesa robótica que poderia se mover e girar em qualquer direção, permitindo simular o acoplamento inclinado com a outra metade, que permaneceu estacionária acima da mesa. A criogenia é projetada para acomodar algum desalinhamento caso a espaçonave e o depósito não estejam perfeitamente alinhados no momento da atracação.
“Esses acopladores criogênicos ainda estão em um estágio inicial de desenvolvimento, portanto os testes se concentram principalmente na funcionalidade básica”, disse Belcher. “Futuras campanhas de teste irão projetá-los para missões específicas e avaliá-los com mais precisão com base nos requisitos da missão.”
Os testes criogênicos foram conduzidos como parte do Anúncio de Oportunidade de Colaboração de 2022, uma parceria na qual os centros da NASA fornecem a empresas selecionadas experiência, instalações, hardware e software gratuitamente.
O Projeto de Portfólio de Gerenciamento de Líquidos Criogênicos, uma equipe interagências baseada na NASA Marshall e no NASA Glenn Research Center em Cleveland, está supervisionando o desenvolvimento do acoplador criogênico.
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