Motores iônicos espaciais ficam 10 vezes mais potentes - ou mais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/01/2023

O motor iônico "turbinado" recebeu um sistema de refrigeração e um novo combustível.
[Imagem: Plasmadynamic and Electric Propulsion Laboratory]

Motor iônico de alta potência

Os motores iônicos não competiriam em nenhuma corrida de arrancada porque não são bons nisso; mas, uma vez em movimento, esse tipo de propulsão elétrica garante uma aceleração constante, podendo finalmente atingir velocidades muito altas.

E, como requerem pouco combustível - muito menos do que qualquer motor foguete químico - eles têm sido a melhor escolha para sondas espaciais em missões de longa duração.

Mas parece que os motores iônicos poderão se tornar muito mais interessantes a partir de agora.

As teorias indicavam que esses motores, também conhecidos como propulsores Hall, precisariam ser proporcionalmente maiores conforme crescesse a necessidade de empuxo, ou seja, quanto mais força, maior o tamanho do motor.

Agora, Leanne Su e seus colegas da Universidade de Michigan, nos EUA, demonstraram que propulsores Hall pequenos podem gerar muito mais impulso do que se calculava, potencialmente tornando-os candidatos para impulsionar missões interplanetárias.

Motor iônico "turbinado"

O saber reinante até agora estabelecia que só se podia injetar uma quantidade de corrente elétrica por área do motor. E, como é a corrente elétrica que gera o plasma que sai pelo bocal e impulsiona o motor foguete, quanto mais energia se puder colocar, maior potência terá o motor.

Su desafiou esse limite fazendo um propulsor Hall projetado para 9 quilowatts (kW) rodar com nada menos do que 45 kW, mantendo aproximadamente 80% de sua eficiência nominal. Isso representa multiplicar a força gerada por unidade de área do motor por um fator de quase 10.

"Nós batizamos nosso propulsor de H9 MUSCLE porque, essencialmente, pegamos o propulsor H9 e fizemos dele um muscle car," disse a pesquisadora.

Foto do motor iônico padrão H9 (9 kW) que apresentou a mesma potência que um motor da classe X3 (100 kW).
[Imagem: Marcin Szczepanski/Michigan Engineering]

Propulsão elétrica

Quer chamemos de propulsor de plasma ou motor iônico, a propulsão elétrica ainda é nossa melhor aposta para viagens interplanetárias - pelo menos até a chegada dos motores foguete de propulsão nuclear.

Mas esta tecnologia está em uma encruzilhada: Embora os propulsores Hall sejam uma tecnologia comprovada, um conceito alternativo, conhecido como propulsor magnetoplasmadinâmico, promete colocar muito mais potência em motores menores. No entanto, eles ainda não foram comprovados de várias maneiras, sobretudo em termos de durabilidade.

Ante a concorrência, os propulsores Hall começavam a ser taxados de carta fora do baralho, devido aos limites do seu modo de funcionamento. O combustível, normalmente um gás nobre como o xenônio, move-se através de um canal cilíndrico, onde é acelerado por um campo elétrico, gerando empuxo na direção frontal conforme sai pelo bocal traseiro, como qualquer motor foguete. Mas, antes que o propulsor possa ser acelerado, ele precisa perder alguns elétrons para obter uma carga positiva.

Elétrons acelerados por um campo magnético para correr em um anel ao redor desse canal arrancam elétrons dos átomos do propelente e os transformam em íons carregados positivamente. No entanto, os cálculos sugeriam que tentar injetar mais propelente através do motor faria com que os elétrons chispando na formação de anel seriam eliminados da formação, interrompendo o funcionamento do motor - seria como colocar na boca mais comida do que você consegue mastigar.

Agora a equipe sonha com voos mais distantes.
[Imagem: Marcin Szczepanski/Michigan Engineering]

Radiador para motor espacial

Um dos primeiros efeitos de tentar injetar mais propelente é que o motor começa a esquentar muito. Su fez então o que parecia mais razoável: Ela resfriou o motor com água, para ver até que ponto conseguia aumentar a potência do motor. Dos 9 kW nominais, ela chegou a 37,5 kW.

Usando criptônio, um gás mais leve, o motor suportou até 45 kW. Com uma eficiência geral de 51%, o motor atingiu um impulso máximo de cerca de 1,8 Newtons, equivalente a um propulsor Hall muito maior, da classe de 100 kW.

"Este é um resultado meio maluco porque normalmente o criptônio tem um desempenho muito pior do que o xenônio nos propulsores Hall. Portanto, é muito legal e um caminho interessante ver que podemos realmente melhorar o desempenho do criptônio em relação ao xenônio aumentando a densidade de corrente do propulsor," disse Su.

Agora a equipe pretende desenvolver um mecanismo de resfriamento que possa ser usado no espaço - aproveitar o frio do espaço parece ser o caminho mais lógico. E os resultados obtidos agora já fazem os pesquisadores sonharem com motores iônicos rodando em 100 e até 200 kW, montados em conjuntos para fornecer 1 MW de potência para uma nave de exploração do espaço profundo.

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