Propulsão Iônica, o Futuro Chegou

Semana passada um foguete reutilizável Falcon 9 subiu ao espaço para por dois satélites no espaço. Os dois satélites usavam motores elétricos. A recuperação do foguete não foi bem-sucedida, mas desta vez o lançamento traz dois avanços espaciais numa só missão. É curioso como a algum tempo atrás propulsão espacial diferente da química só existia na ficção científica. Já existem sondas e satélites que utilizam propulsão iônica a um bom tempo.

SpaceX successfully fires satellites into orbit, but loses booster on landing

Como funciona a propulsão química de foguetes?

A maior parte dos foguetes atualmente usam propulsão química. O desenho mais comum de foguetes são cilindros contendo propelentes: substâncias que após uma reação química produzem gases aquecidos. Estes gases são produzidos numa câmara de combustão e direcionados a altíssima velocidade através de uma tubeira. Pelo princípio de ação e reação o foguete é impulsionado na direção contrária do jato de gases. A combustão exige pelo menos duas substâncias: um combustível e um comburente (ou oxidante). Geralmente se usa oxigênio líquido (LOx) com oxidante. Existem vários combustíveis possíveis: hidrogênio líquido, querosene, hidrazina entre outros. Estes propelentes são usados em diversas formas. Existem propelentes sólidos e líquidos mas todos se basem em combustão de algum tipo.

Esquema de um sistema de propulsão líquida baseada em Oxigênio Líquido (LOx – Oxidante) e MonoHidrazina (MMH – Combustível). O tanque de Hélio (He) faz parte do sistema de pressurização. Ao lado temos um esquema do primeiro foguete deste tipo totalmente funcional: a V2 alemã que usava LOx e Álcool.

O que determina a eficiência do foguete é a relação entre a massa e a velocidade dos gases expelidos. Geralmente temos uma carga útil pequena e um enorme volume de propelentes durante o lançamento. Com o sistema de diversos estágios reduzimos a quantidade de propelentes mas ainda é o maior peso durante ao lançamento. A propulsão química consegue grandes acelerações mas apenas por pouco tempo. No espaço os motores foguetes convencionais são usados apenas por pequenos intervalos de tempo para mudanças de órbita; a maior parte do tempo a nave está em “queda livre” sob a ação das forças gravitacionais dos astros. Mas se pudéssemos acelerar por muito tempo sem gastar todo o propelente de uma vez? Poderíamos alcançar grandes velocidades sem submeter o veículo a grandes pancadas.

O que é Propulsão Iônica?

Existem outras maneiras de se produzir um jato de gás a alta velocidade. Imagine que você submeta um gás a um possante campo elétrico, separando as cargas elétricas, arrancando elétrons e ionizando os átomos do gás. Estas partículas podem ser aceleradas e direcionadas por campos elétricos e magnéticos. Apesar da baixa massa dos íons emitidos as velocidades podem ser enormes. O resultado final seria uma aceleração pequena mas que pode ser mantida por tempo indeterminado (enquanto houvesse gás para ser ionizado e expelido).

Motores iônicos atuais: esquema e fotos de testes.

Muitas vezes se usa o termo Propulsão Elétrica de forma genérica para propulsão semelhante a esta. Outro tipo de propulsão elétrica é baseada em Plasma. O processo é bem parecido o que vai mudar é a natureza (temperatura, densidade, carga total e grau de ionização) do gás usado como fonte e a maneira de acelerar as partículas. Propulsão elétrica pode vir a usar campos magnéticos e até ondas de rádio para isso: sem peças móveis e com temperaturas muito menores que a combustão.

Para saber mais.

Naves com Propulsão Iônica

Isso já é feio a algum tempo. Os americanos e soviéticos testaram seus primeiros motores iônico durante a guerra fria. Desde deste tempo foi escolhido um gás nobre para este motores. Isto serve para evitar desgastes decorrentes de reações químicas indesejadas. O Xenônio é usado na maioria destes protótipos funcionais. O sistema é denominado pela a sigla em inglês XIP (Xenon Ion Propulsion).

Naves reais que utilizam propulsão iônico: No alto a esquerda GOCE, a direita AEHF. Na linha central: a esquerda (inclinada) DAWN e no centro Artemis. Na linha de baixo: Hayabusa (esquerda) e Deep Space 1 (direita).

Alguns exemplos de sondas que usaram propulsão iônica:

Deep Space 1 (EUA, 1998)

SMART-1 (UE*, 2003)

Hayabusa (Japão, 2003)

Dawn (EUA, 2007)

Satélites da Terra que também usaram propulsão iônica:

Artemis (UE, 2001)

GOCE (UE, 2009)

AEHF (EUA, 2010)

Exemplos de propulsão iônica em ficção científica existe aos montes. As Naves de Rapina Klingon de Jornada nas Estrelas usavam plasma e a Hermes de Perdido em Marte também.