Sistemas de Propulsão Elétrica para Viagens Espaciais

INTRODUÇÃO

Quando falamos sobre foguetes, seu sistema de movimentação para ir ao espaço é baseado no impulso, de acordo com a Terceira Lei de Newton (ação e reação). Dessa maneira, percebemos que atualmente, a principal fonte de propulsão é a química, onde, de maneira sucinta, gera-se uma combustão, empurrando o objeto para cima. Estes combustíveis químicos podem ser sólidos ou líquidos, os líquidos mais comuns a serem utilizados na propulsão dos foguetes seriam a hidrazina e o hidrogênio líquido.

No entanto, ultimamente vem se descobrindo novas tecnologias que proporcionam a realização do empuxo por meio de uma propulsão elétrica, e não uma combustão. 

O sistema de propulsão funciona quando se quer mudar a velocidade de um certo objeto, tanto como intensidade, sentido e direção. Quando falamos de propulsão, ela funciona não somente no foguete, mas também em qualquer atividade que gere um impulso. No corpo humano, por exemplo, usamos a propulsão para andar, uma bicicleta usa o impulso da roda para gerar um atrito com o chão e mover-se para frente, os próprios carros se locomovem pela combustão do combustível, o que gera um impulso para frente e consequentemente, o que chamamos de propulsão. 

Portanto, ao falar de propulsão para o lançamento ou locomoção de um foguete, nos referimos a como faremos para que ele possa mudar sua velocidade. Nesse caso, nos referimos a uma força muito grande que necessitamos para que um corpo saia da órbita da Terra e vá para a direção desejada. 

PROPULSÃO POR ENERGIA ELÉTRICA

A propulsão por energia elétrica funciona de maneira que a energia seja coletada por grandes painéis solares, por baterias a bordo ou reatores nucleares. Então, essa energia é convertida para ionizar propelentes de gases inertes (que não reagem químicamente com o ambiente em condições normais de temperatura e pressão) como de Xenônio e Criptônio. A combinação de campos elétricos e magnéticos – propulsor efeito Hall – ou um campo eletrostático – íon em grade -, acelera os íons e os empurra para fora do propulsor, conduzindo a espaçonave a altas velocidades. Esse processo, em vez de liberar fogo – como na propulsão química, por meio da combustão -, libera uma faixa de cor azul-esverdeada, justamente pela liberação desses íons dos gases inertes. 

Ao falar de propulsão elétrica, podemos destacar vários tipos de propulsão, onde cada um apresenta benefícios e malefícios com relação um ao outro. No entanto, destacar cada um deles é uma tarefa complicada, uma vez que seu funcionamento é similar. Portanto, vamos focar nesse texto na explicação básica do funcionamento dos propulsores elétricos em geral, levando em conta que eles podem mudar um pouco dependendo do seu tipo, e focar também na sua comparação em relação a propulsores químicos. 

COMO FUNCIONA O PROPULSOR ELETROMAGNÉTICO OU PROPULSOR ELETROESTÁTICO?

Explicando esse fenômeno de maneira bem simplificada, temos que o gás inerte utilizado (normalmente Xe) é ionizado pela exposição de elétrons. Estes íons são acelerados pelos campos elétricos perpendiculares aos magnéticos, levando-os a alta exaustão. 

O propulsor eletrostático usa uma descarga do campo cruzado do efeito Hall para gerar um plasma. Os íons são gerados em um volume de plasma e acelerados no campo elétrico nele mesmo, ou seja, os íons são acelerados pelos campos elétricos no plasma. Contudo, a presença do campo magnético transversal, de acordo com o efeito Hall, muda o mecanismo de transferência de força. 

A força eletrostática sobre os íons é negativa com relação a força sobre os elétrons por causa da diferença de seus sinais (íons do gás inerte são positivos) e, como os elétrons são restritos a não se mover axialmente pelo campo elétrico transversal, a força por unidade de área deles acaba sendo equilibrada pela força de Lorentz, ou seja causada pela existência de um campo magnético. Portanto, pela Terceira Lei de Newton, a força da corrente de Hall no campo magnético é igual e oposta à força da corrente de Hall nos elétrons e, consequentemente igual e oposta à dos íons (levando sempre em conta que a densidade de elétrons e íons no plasma é próxima, supondo que o plasma é quase neutro).

Com isso, o impulso é transferido dos íons para o corpo do propulsor pela força eletromagnética de Lorentz. Esses íons são ejetados pelo foguete formando um feixe de luz e impulsionando-o para frente (propulsão), mantendo também a nave neutra.

Esses tipos de propulsão de efeito Hall podem ser chamados de propulsores eletrostáticos e eletromagnéticos, uma vez que a força é transferida pelo campo eletromagnético, mas o que gera a aceleração dos íons é o campo eletrostático.

COMPARATIVOS DE PROPULSÃO QUÍMICA E ELÉTRICA

Na propulsão química, a explosão inicial é bastante poderosa e permite a espaçonave atingir, rapidamente, uma alta velocidade. No entanto, essa velocidade é usada somente para onde a nave aponta no início da aceleração, além disso, quando o combustível acaba, há pouca capacidade de acelerar, desacelerar ou mudar de direção. Dessa forma, as missões ficam presas a um prazo específico de realizações onde apenas pequenas mudanças podem ser realizadas, restringindo-se a quantidade de combustível remanescente após o lançamento da nave. 

Já na propulsão elétrica, a limitação é a quantidade de gás inerte que tem-se no tanque a ser ionizado. Este por sua vez, permite alterações no sistema no que diz respeito à aceleração, desaceleração e direção do sistema, durante meses ou anos. No entanto, seu impulso inicial é relativamente baixo. 

Dessa forma, pode ser que com a propulsão elétrica, o caminho de chegada a um determinado ponto no espaço, demore mais ao se comparar com a propulsão química. Entretanto, ao chegar no ponto determinado, a propulsão elétrica permite uma maior flexibilidade para fazer as mudanças necessárias de acordo com a missão. 

A grande vantagem do uso da energia elétrica em alguns tipo de de tecnologia, como é o caso da nova tecnologia que estava em desenvolvimento pela NASA em 2020, pretendendo ser quatro vezes melhor que a tecnologia de propulsão elétrica atual, é o poder de reduzir em até 90% o uso dos combustíveis dentro dos tanques em comparação aos sistemas totalmente químicos. 

Quando falamos com relação a propulsão química, também podemos destacar que as naves por propulsão elétrica de Efeito Hall dependem apenas da entrada de energia, que pode ser obtida já no espaço por células fotovoltaicas, não precisando transportar agentes oxidantes para a realização da combustão, permitindo uma melhor carga útil.

CONCLUSÃO

Existem vários tipos de propulsão elétrica, assim como de propulsão química. O que faz com que existam várias tecnologias em constante evolução e melhoria dos sistemas em comparação uns aos outros. Essas tecnologias em constante desenvolvimento, permitem uma imensidão de assuntos a serem explorados, não somente no que diz respeito aos vários tipos de propulsão elétrica, como também o seu funcionamento, eficiência, sustentabilidade e flexibilidade nas missões no espaço. Com isso, temos uma enorme rede de exploração e tecnologia resultante de uma variável na exploração espacial, permitindo a partir do desenvolvimento dessa tecnologia, vários conhecimentos adquiridos que podem transformar o mundo que conhecemos hoje.