No contexto atual de exploração espacial, onde a sustentabilidade e a economia de recursos se tornam cada vez mais cruciais, a NASA Engineering and Safety Center (NESC) apresentou um modelo analítico revolucionário que promete transformar os processos de purgagem de tanques de hidrogênio líquido (LH2). Este artigo, extraído da Atualização Técnica de 2024, explora as implicações desse modelo, que não apenas revelou uma economia significativa de hélio durante um recente processo de purgagem no Kennedy Space Center (KSC), mas também elucidou fenômenos de mistura turbulenta que afetaram purgagens anteriores. Com a aplicação desse modelo, vislumbra-se um futuro mais viável e prático para as operações de purgagem de hélio nos tanques do Space Launch System (SLS).
Entendendo a Purgagem de Tanques de Hidrogênio e os Desafios Enfrentados
Em 2023, o KSC finalizou o trabalho em um novo tanque com capacidade para 1,3 milhões de galões de hidrogênio líquido, que corresponde a aproximadamente 174.000 pés cúbicos padrão (scf). De acordo com o contrato firmado, o fornecedor entregou o tanque preenchido com gás nitrogênio, deixando como tarefa das operações de solo do KSC a substituição do nitrogênio por hélio antes da introdução do hidrogênio líquido. Essa etapa é crucial, uma vez que a introdução do hidrogênio líquido poderia congelar o nitrogênio, complicando o processo de purgagem. Historicamente, purgagens de nitrogênio/hélio em tanques LH2 da era Apollo e do Space Shuttle foram realizadas através da eliminação do nitrogênio, introduzindo hélio e, em seguida, extraindo amostras, repetindo o processo se necessário. No entanto, o novo tanque não disponha de uma porta de vácuo, o que exigiu uma abordagem diferente: a introdução do hélio pela parte superior do tanque, forçando o nitrogênio para fora pela parte inferior.
Preparando-se para o que poderiam ser longos e custosos processos de purgagem, foram utilizados dois milhões de scf de hélio. Para a surpresa de todos, essa abordagem resultou em uma rápida substituição do nitrogênio pelo hélio, utilizando apenas 406.000 scf de hélio. Este volume representa uma economia impressionante de aproximadamente 1,6 milhões de scf de hélio, o que, a um custo de um dólar por scf, resulta em economias de 1,6 milhão de dólares. Com a finalidade de compreender tal sucesso, a NESC foi incumbida de investigar as razões por trás dessa eficácia e se poderiam ser realizadas melhorias adicionais.
Conclusões Reveladoras e a Aplicação do Modelo de Difusão
A análise inicial revelou que a purgagem era limitada pela difusão, levando os engenheiros a realizar estudos de variações que resultaram em três conclusões significativas. Primeiramente, constatou-se que a taxa de fluxo deveria ser aumentada até o início da mistura turbulenta; segundo, a purgagem não deveria ser interrompida uma vez iniciada, permitindo assim que mais difusão ocorresse; e, por último, tentativas de melhorar a purgagem por meio da variação de temperatura ou pressão mostraram pouco benefício. Apesar de a purgagem dos gigantescos tanques de LH2 ser um evento raro, purgagens de tanques de voo são práticas comuns. Em 2008, dados de purgagem de três tanques externos do Shuttle foram medidos utilizando um espectrômetro de massa, e a NESC foi consultada para aplicar o modelo de difusão a esse conjunto de dados. Essa análise mostrou evidências de que a mistura turbulenta ocorreu, indicando a necessidade de diminuição das taxas de fluxo. A posse de um modelo confiável fornece insights valiosos para o uso de purgagens de hélio do tipo pistão no KSC, com o objetivo de reduzir o consumo de hélio e a necessidade de mão de obra, além de ser diretamente relevante para a purgagem do tanque de LH2 no núcleo do Space Launch System.
Inovação com o Sensor de Gás Binário
Durante purgagens anteriores, foram coletadas amostras gasosas que eram enviadas para um laboratório para indicar o status do processo de purgagem. No entanto, a coleta de amostras durante uma purgagem do tipo pistão introduziria atrasos indesejados, permitindo assim que a difusão indesejada Ocorria. Felizmente, uma avaliação independente da NESC estava examinando um sensor de gás binário, que se mostrou adequado devido à sua combinação de custo, tamanho, potência e peso, facilitando a monitorização em campo da proporção de gases em tempo real. O uso desse sensor foi fundamental para o sucesso da purgagem dos tanques de LH2, assegurando um processo mais eficiente e econômico.
O Futuro Promissor da Conservação de Hélio na Exploração Espacial
Como podemos ver, as inovações trazidas pelo NESC não apenas resultaram em economias financeiras significativas, mas também estabeleceram um novo padrão para a purgagem de tanques de hidrogênio líquido. À medida que as missões espaciais se tornam cada vez mais frequentes e essenciais, práticas como a otimização do uso de hélio através de processos de purgagem eficazes se tornam vitais. A exploração espacial é um horizonte que jamais devemos deixar de explorar, mas isso deve ser feito com responsabilidade, utilizando os recursos disponíveis da forma mais eficiente possível. O futuro das operações espaciais está, sem dúvida, em boas mãos com a pesquisa e inovações que estão sendo constantemente desenvolvidas.
