Fig. 1: Imagem Representacional da Propulsão Elétrica

Os humanos podem andar em terra na ausência de automóveis, podem nadar na água sem barcos, mas sem aviões e foguetes não podemos voar. Sair do solo desafia a atração gravitacional da Terra e, portanto, requer um certo trabalho que um corpo precisa realizar para impulsioná-lo. Esta força propulsora é conhecida como 'impulso'. Se considerarmos um foguete, por exemplo, quando ele decola, ocorrem reações químicas em sua câmara de combustão, produzindo grandes quantidades de energia aprisionada que explode em alta velocidade através de um bocal e exerce força sobre a atmosfera. A atmosfera reage de acordo com a terceira lei de Newton para empurrar o foguete para cima. A exploração espacial na década de 1900 era mais um assunto governamental, enquanto a década de 21^st O século XX está a assistir a uma participação cada vez maior do sector privado à medida que surgem inovações no sector aeroespacial de empresas como a SpaceX, Boeing, Virgin Galactic, The Spaceship Company (TSC) etc. optou como uma frente viável para pesquisa aberta. Há muitas razões para custos tão elevados, como milhares de toneladas de combustível, sistemas eletrônicos e de controle de última geração, fabricação precisa de peças grandes e a não reutilização dos veículos lançadores. Neste artigo discutimos sobre uma tecnologia que pode muito bem substituir a propulsão química convencional de foguetes e em que aspectos ela é melhor e o que falta em sua concorrência.

Prévia – Propulsão de Foguete

Então, qual é exatamente o termo propulsão? Imediatamente imaginamos uma grande nuvem de escapamento saindo de um foguete, mas por que precisamos desse impulso? A resposta é: alcançar a aceleração. A aceleração pode ser usada para mover um corpo a partir do repouso, alterar a velocidade de um corpo ou superar várias forças de arrasto (retardo). A propulsão de foguete é uma subcategoria da propulsão a jato em que a propulsão é obtida pela ejeção de uma massa armazenada (propelente) em altas velocidades.

Convencionalmente, a propulsão de foguetes é obtida por combustão química. Nestes sistemas de propulsão química de foguetes, existem dois tanques separados contendo o combustível e o oxidante. Estes são alimentados em uma câmara de combustão a altas pressões. A esta pressão elevada, a mistura inflama e aquece o gás a temperaturas extremamente altas, fazendo com que o gás se expanda. Isto é passado através de um bocal onde toda essa energia de pressão é convertida em energia cinética fazendo com que ela saia em velocidades extremamente altas (até 5.000 metros/seg). Os sistemas de propulsão química são classificados em motores de propulsão química de foguete de propelente sólido, propulsão química de foguete de propelente líquido e motores de foguete híbridos. Os motores de foguete sólido são o sistema mais primitivo onde um cilindro oco de combustível sólido é aceso para aquecer e expandir o gás na região oca (semelhante aos foguetes usados ​​em fogos de artifício). O sistema de propulsão de foguete mais complicado e avançado é o sistema de propulsão de foguete líquido, onde as formas líquidas de combustível e oxidantes são controladas por motores, ao controlar a alimentação, a taxa de combustão é controlada, dando-nos assim o controle do empuxo. O motor de foguete híbrido é uma combinação de sistema sólido e líquido onde um oxidante líquido e um combustível sólido são usados.

Fig. 2: Imagem esquemática do motor de foguete líquido

Figura 3: Imagem esquemática do motor de foguete sólido

Embora os sistemas de propulsão química sejam conhecidos por produzir grandes quantidades de empuxo, eles se esgotam rapidamente. Portanto, para cumprir uma missão exigida, consome-se muito combustível (milhares de toneladas). Aqui entra o conceito de propulsão elétrica que reduz bastante o consumo relativo de propulsor, ao mesmo tempo que proporciona altas velocidades de exaustão.

Introdução

Propulsão Elétrica – Introdução

Fig. 4: Globo de Plasma

Figura 5: Sol

Primeiro precisamos entender um conceito chamado impulso específico (eu_sp). É o impulso total por unidade de peso do propelente. Está diretamente relacionado à eficiência do propulsor. In pode ser considerado sinônimo de quilometragem de um automóvel. Se menos peso puder proporcionar mais impulso em um determinado momento (impulso específico alto), então será consumido menos combustível. Na propulsão química, tentamos extrair a energia interna de um propulsor através da combustão e da quebra de ligações (que são em sua maioria limitadas ou não totalmente extraídas). Mas e se pudéssemos pegar um propulsor e fornecer energia externa sem limite teórico? Quanto maior o conteúdo energético, mais trabalho pode ser realizado. Este é o objetivo básico da propulsão elétrica.

A propulsão elétrica, como o nome sugere, utiliza energia elétrica (fonte externa) para aquecer e ejetar o propelente. Além disso, quando um gás é colocado num campo eléctrico forte, os seus elementos positivos e negativos dividem-se criando um conjunto de carga (onde a carga positiva é igual à carga negativa). Este novo estado físico do gás é denominado 'Plasma' e o processo é denominado 'Ionização'. É fluídico como um gás, mas reage a campos eléctricos e magnéticos (uma vez que contém partículas carregadas) e pode ser manipulado por estes campos. Assim, o plasma gerado pelo campo elétrico é acelerado através de um campo magnético e exaurido em velocidades extremamente altas (até 100.000 m/s). Quanto maior for a energia elétrica fornecida, maior será a densidade de corrente, causando um campo magnético mais forte e, portanto, uma velocidade de exaustão mais rápida. O conceito de propulsão elétrica foi concebido pela primeira vez pelo pai da Propulsão Líquida, “Robert Goddard” em 1906 nos EUA, embora o seu desenvolvimento tenha começado no final do século XIX.^º século pela NASA e ESA. Hoje, conceitos avançados de propulsores de plasma estão sendo pesquisados ​​para permitir missões no espaço profundo.

O Propulsor de Plasma

Agora que vimos a ciência por trás da propulsão elétrica, vamos nos aprofundar na parte de engenharia do projeto de um propulsor de plasma básico. A aplicação deste princípio na fabricação de um produto tangível pode ser feita de mais de uma maneira. Mas o que todo sistema exige são estes quatro subsistemas básicos

1. Uma fonte de energia (energia solar, energia nuclear ou matéria exótica)

2. Um sistema de conversão (para converter a energia da fonte em energia elétrica)

3. Um sistema de propelente (para armazenar, medir e entregar o propelente)

4. Um dispositivo propulsor (onde a energia elétrica é convertida em energia cinética)

A seleção do propelente é muito importante. Deve ser um gás inerte para não reagir com a atmosfera do bocal. Deve ser preferencialmente monoatômico, uma vez que é necessária energia extra para quebrar a ligação intermolecular. Os propulsores mais comuns usados ​​em propulsores elétricos são Argônio, Néon, Xenônio, Hélio etc.

Os propulsores de plasma podem ser distinguidos com base no método pelo qual o plasma é acelerado como eletrotérmico, eletrostático e eletromagnético. O método eletrotérmico envolve o aquecimento do gás através de aquecedores eletrorresistivos e causa expansão termodinâmica (Resistojets). O método eletrostático consiste na aceleração do plasma através da interação de campos eletrostáticos. O método eletromagnético consiste em acelerar o gás através da interação do campo elétrico e magnético gerado pelo plasma. Os tipos mais comuns de propulsores vistos são MPDT (Magneto Plasma Dynamic Thrusters), Propulsores Hall, Propulsores Helicon, Resistojets e Propulsores Ion. Vejamos a construção de um deles, o MPDT.

Fig. 6: Imagem mostrando o propulsor MPD

Figura 7: Imagem do propulsor Hall

Propulsor Dinâmico de Plasma Magneto (MPDT)

Figura 8: Diagrama do modelo de bico MPDT

O MPDT é um tipo de propulsor eletromagnético que consiste em um projeto de eletrodo coaxial. O cátodo repousa dentro de um ânodo oco. O ânodo e o cátodo são fixados através de um material isolante para garantir que não haja contato elétrico. O gás propelente é introduzido a montante do bocal e passado através da abertura do eletrodo. A energia elétrica é normalmente armazenada em um banco de capacitores. A longarina é criada entre os eletrodos por um circuito de ignição semelhante ao usado em uma bobina de Tesla e é mantida pelo banco de capacitores para que a tensão seja suficiente para manter um estado de plasma (chamado Potencial de Ruptura). Os elétrons fluem em direção radial do cátodo para o ânodo, criando simultaneamente um campo magnético de acordo com a regra da mão direita. O campo magnético acelera o plasma a jusante, criando o impulso. Isso é chamado de propulsor de campo próprio. Se um campo magnético externo for aplicado para estabilizar o fluxo de exaustão, ele será chamado de propulsor de campo aplicado. O plasma atinge temperaturas extremamente altas (6.000 a 10.000 Kelvin). Para suportar esta temperatura, um material de alto ponto de fusão deve ser usado como cátodo (como o tungstênio), visto que também é condutor. O ânodo pode ser mais espesso para melhorar a dissipação de calor e um elemento altamente eletropositivo deve ser usado (como o cobre). As eficiências dos MPDTs podem atingir até 55% e magnitudes de impulsos específicos que podem ser 10 vezes maiores que as dos foguetes químicos.

Figura 9: Diagrama transversal do modelo de bico MPDT

Conclusão

O plasma é o estado de matéria mais abundante encontrado no universo e pode ser manipulado de várias maneiras. Mesmo na Terra testemunhamos plasmas na forma de relâmpagos, auroras, até mesmo pequenas faíscas quando um plugue não está devidamente colocado em uma tomada, etc. É um estado da matéria conhecido por sua abundância de energia e, portanto, faz sentido utilizá-lo. para aplicações de alta potência.

A propulsão na presença de atmosfera e no vácuo são conceitos bastante diferentes. Quando a atmosfera está presente, o empuxo é obtido pelo par ação-reação da força aplicada pelo escapamento sobre ela e, portanto, aqui são necessários valores maiores de empuxo. Mas no vácuo não há atmosfera. Aqui o empuxo é obtido pela conservação do momento à medida que a mudança de momento do propulsor impulsiona a carga útil para frente e, portanto, aqui são necessárias velocidades de exaustão mais altas. Portanto, faz sentido usar propulsores elétricos no vácuo.

O impacto do Impulso Específico: Como um peso unitário do propelente pode fornecer mais energia durante um período de tempo no propulsor elétrico em comparação com o foguete químico, seria necessário menos combustível para realizar a tarefa. Por exemplo, consideremos uma missão de encontro com um asteróide para transportar uma carga útil de 500 kg. Um propulsor químico com velocidade de exaustão de 3.000 m/s e I_sp de 306 segundos exigirá 2.150 kg de propelente. Por outro lado, um propulsor elétrico com velocidade de exaustão de 30.000 m/s e I_sp de 3.060 segundos exigiria apenas 90 kg de propelente.

A pesquisa é intensa no departamento de propulsão elétrica. É um conceito futurista e pode entrar num mercado maior muito em breve. Recentemente, pesquisadores desenvolveram um motor que pode produzir impulso sem qualquer propelente, usando plasma quântico. Os motores mais atuais incluem Propulsores de Microondas que não necessitam de eletrodos para gerar o plasma. O motor elétrico popular atual é o VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), que usa acopladores RF (radiofrequência) para gerar e aquecer plasma de acordo com o empuxo necessário e os parâmetros de impulso específicos da missão. Ele pode se adaptar à missão em questão e proporcionar vida útil mais longa e confiabilidade do que os outros propulsores. Eles podem ser alimentados por painéis solares ou energia nuclear. Estas tecnologias dar-nos-ão acesso a maiores profundidades do nosso sistema solar e eliminarão a necessidade de mecanismos complicados para armazenar e entregar propelente no caso de foguetes químicos. A Propulsão Elétrica tem a capacidade de ver os humanos progredirem para uma civilização de passagem interestelar num futuro distante (onde a ciência alcançará a ficção científica).

Figura 10: Imagem mostrando o esquema do mecanismo VASIMR