Autor: Tchedong Paulo
Licenciado em Engenharia Tecnológica, na Especialidade de Electrónica e Controlo pela Universidade Cape Breton, Canadá.
Especialista de Processamento de Análise e Telemetria.

Propulsores

A etimologia da palavra propulsor tem a sua origem do latim “Propeller” onde “pro” significa empurrar, avançar e “peller” conduzir ou dirigir.

Denomina-se propulsão a acção ou processo de mover ou empurrar um objecto numa determinada direcção, ao passo que o propulsor é o equipamento responsável pela produção de movimento (ex. Turbinas de uma aeronave, hélice do barco, turbo hélice, propulsor do foguetão etc).

A propulsão em foguetões é definida como o processo de expelir massa em alta velocidade numa determinada direcção, causando ao foguetão um movimento no sentido contrário, desta forma resultando na aplicação directa da terceira lei de Newton (acção e reacção).

O exemplo prático de propulsão é observado quando enchemos um balão com ar e logo a seguir vedamos o orifício do balão com os dedos. Tão logo largamos o orifício do balão observamos a saída de massa de ar em uma determinada direcção (acção) no mesmo instante, observa-se aplicação da mesma força, no sentido oposto empurrando o balão (reacção).

Classificação dos propulsores baseado no tipo de energia

Quanto a energia, os propulsores classificam-se em:

1. Propulsor a Gás – usa energia mecânica do gás armazenado sobre pressão;
2. Propulsor Químico – usa energia química para produzir calor;
3. Propulsor Eléctrico – usa a energia electromagnética para acelerar partículas ionizadas;
4. Propulsor Termonuclear – usa a energia calorífica produzida por uma reacção nuclear.

Existe um conjunto de vários outros propulsores em desenvolvimento, que poderão merecer a nossa atenção em temas a serem desenvolvidos no futuro, outrossim é a oportunidade de realçar que dos vários propulsores mencionados acima, apenas abordaremos o propulsor Eléctrico.

História

Estudos sobre os propulsores eléctricos datam há mais de 100 anos, e vários estudiosos na altura apresentaram para academia científica artigos e experiências relacionados a matérias de propulsão eléctrica a destacar, Robert Goddard (USA) em 1906, Konstantin Tsiokolvsky (URSS) em 1911, Hermann Oberth em 1929 na Alemanha, Alexey Mozorov (URSS) da Kurchatov Institute of Atomic Energy (KIAE) em 1960,  Ernst Stahlinger Ion Propulsion for Space Flight publicado em 1964, Robert Jahn Physics of Electro Propulsion Thrusters publicado em 1968, George Brewer com  Basics of low-thruster Mission Design and Trajectory Analysis publicado em 1970 e para finalizar a lista S. Grishin and L. Leskov em 1989 na Rússia.

De acordo com várias publicações em matérias de propulsão eléctrica foi no ano de 1960 que surgiram as primeiras pesquisas e desenvolvimentos de propulsores eléctricos em simultâneo nos Estados Unidos da América (USA) e União das Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS). Anos depois os americanos abandonaram o desenvolvimento destes (Propulsor de Ião), ao passo que cientistas russos em particular o Design Bureau (Fakal) e KIAE em 1969 dedicaram-se ao desenvolvimento e pesquisa de propulsores eléctricos de plasma estacionário (SPT) e foi assim que em 1971 foi lançado a primeira geração de propulsores eléctricos Stationery Plasma Thruster (SPT -50) a bordo do satélite Meteor-8 e mais tarde um grupo de académicos e cientistas Americanos deslocaram-se à Rússia para um trabalho colaborativo entre as partes, o que permitiu em 1987 o desenvolvimento da segunda geração (SPT 70) e em 1995 (SPT 100) pela EDB Fakal em Kaliningrad na Russia. Anos depois surge o propulsor da terceira geração (SPT-140). 

Propulsor Eléctrico

É o propulsor espacial que utiliza corrente eléctrica para ionização de partículas contidas no propelente (combustível gás) com recursos a diferentes métodos.

Os propulsores eléctricos permitem movimentar um determinado corpo no vácuo usando o mesmo princípio básico aplicados aos propulsores químicos resultantes da aceleração da massa do combustível e expelindo a alta velocidade a massa do gás de escape para fora do satélite, ao passo que os propulsores eléctricos a massa expelida é na forma de partículas ionizadas.

Ionização é o processo através do qual um átomo ganha ou perde electrões formando um ião carregado.

Os propulsores eléctricos subdividem-se em:

1. Termoeléctrico – neste método o propelante é electricamente aquecido e posteriormente expelido por intermédio de um bocal (tubo Venturi). Por exemplo: Propulsor Resistojet, Propulsor Arcjet;
2. Electromagnético – neste método as partículas do gás são aceleradas pela resultante da força entre a corrente eléctrica e o campo magnético ex. Propulsor Pulsed Plasma, Propulsor. Por exemplo: Magnetoplasma, Propulsor Pulse Inductive;
3. Electrostático – neste método as partículas ionizadas do propelante são aceleradas por intermédio de um campo electrostático. Por exemplo: Propulsor Hall-effect, Propulsor de Ião, Propulsor Colloid, Propulsor Nanoparticle.

Dos três grupos de propulsores eléctricos acima referidos falaremos com maior profundidade dos propulsores electrostáticos a destacar o propulsor de Hall-Effect ou plasma estacionário, que é o modelo de propulsor eléctrico incorporado no ANGOSAT-2.

Propulsor Eléctrico de Hall-Effect (HET) ou Plasma Estacionário (SPT)

Neste, a propulsão é resultante da aceleração axial de iões em um plasma quase-neutro. Um canal de distribuição de propelente fornece o gás (Xenónio) para o ânodo que se encontra dentro da secção anelar da câmera de descarga do propulsor e bobinas magnéticas permitem a criação de um campo magnético radial e tem a função de atrair electrões livres. Estes electrões colidem com os átomos do gás dando origem ao processo de ionização. As partículas ionizadas são aceleradas pelo campo eléctrico e de seguida expelidas da câmara de descarga originando a propulsão. O cátodo tem a função de produzir electrões livres e neutralizar o fluxo do plasma resultante da ionização do gás.

No propulsor eléctrico o propelente é expelido até vinte vezes mais rápido do que no propulsor convencional (químico) o que lhe permite ser mais eficiente.

A propulsão eléctrica envolve o uso quer de um campo eléctrico ou electromagnético para acelerar e expelir matéria ionizada. Ela é caracterizada como sendo de baixa força de propulsão (N), mas de alto impulso específico (Isp) comparado aos propulsores químicos.

Impulso específico, define-se como sendo a velocidade dos gases de escape dividido pela aceleração gravitacional da Terra (9,8 m/s2) e sua unidade expressa-se em segundos (s).

Constituição do sistema de propulsão

Em geral os propulsores eléctricos são constituídos por:

• Um sistema pressurizado de distribuição e armazenamento do propelente;
• Tubagem, válvulas de controlo e regulação do fluxo do propelente;
• Propulsores eléctricos;
• Unidade de distribuição eléctrica;
• Software de controlo e gestão. 

Características do SPT

Principais vantagens

• Os propulsores eléctricos possuem uma força de propulsão (N) muito baixa mas um impulso específico muito elevado, ou seja, a força produzida por um propulsor Eléctrico embora ser baixa pode ser aplicada por um tempo longo tornando-o num propulsor muito eficiente;
• Baixo consumo de combustível – permite reduzir a quantidade de massa do combustível (na ordem dos 90 a 300Kg para missões de 10 a 15 anos) e consequentemente o custo do lançamento;

Principais desvantagens

• Os propulsores eléctricos têm uma dependência directa na quantidade de energia eléctrica produzida a bordo do satélite;
• Devido a baixa força de propulsão produzida, estes só podem ser usados no espaço cósmico (vácuo);
• Usa gases nobres (Hélio, Argon, Crípton, Xenônio) que por sua vez possuem alto custo.

Aplicação

Os propulsores eléctricos nos dias de hoje são muito aplicados em satélites para fins comerciais (satélites de telecomunicação) e científicos (sondas deep space) para:

• Controlo de atitude e correcções da posição;
• Transferência entre as órbitas (GTO, GEO);
• Manobrar o satélite ao longo do espaço cósmico;
• De-orbiting.

Propelente

No passado, os primeiros testes feitos com propulsores eléctricos usavam propelente de césio e mercúrio. Os gases nobres, devido a sua natureza, são a escolha ideal para os propulsores eléctricos. Uma característica muito importante na escolha do propelente reside na massa atómica do mesmo ou seja quanto maior for essa massa maior será o impulso específico do propulsor eléctrico. O Xenónio é um gás nobre, raro e caro que possui uma massa atómica (131.293) com resultados de performance desejáveis, razão pela qual, é a escolha preferida para sua aplicação em propulsores eléctricos. Já o Hélio por ter um custo menor que o Xenónio mas que apresenta o comportamento idêntico é muito usado para o teste de propulsores eléctricos em terra. 

Conclusão

A NASA, ESA, ROSCOSMO e outras agências espaciais, reconhecem o avanço tecnológico dos propulsores eléctricos e afirmam ser a tecnologia de propulsão do futuro para os satélites de telecomunicações e pesquisas espaciais. Com a implementação de propulsores eléctricos nos satélites espaciais houve uma significativa redução na massa total de um satélite influenciando directamente no custo de lançamento de um objecto para espaço. Visto que uma das variáveis a ter em conta aquando do lançamento de um satélite para o espaço é massa total do satélite em outras palavras, quanto menor for a massa menor será o custo de lançamento. Os propulsores eléctricos mais comuns no sector espacial são os de Ião e os de Hall-Effect. Por toda parte do mundo tem sido levado a cabo estudos com o propósito de melhorar os propulsores eléctricos quanto a limitação na fonte de energia eléctrica e o seu desempenho a bordo do satélite. 

Bibliografia

            ESA (https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/What_is_Electric_propulsion)

                understanding Space

                Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters by Dan M. Goebel and Ira Katz, JPL

                The Hall Effect Prepared by D. B. Pengra, J. Stoltenberg, R. Van Dyck and O.

                http://electricrocket.org/IEPC/5_2.pdf

                https://ntrs.nasa.gov/citations/19930016017

                https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/hall-thrusters