A propulsão a plasma é um assunto de grande interesse para astrônomos e agências espaciais. Como uma tecnologia altamente avançada que oferece considerável economia de combustível em relação aos foguetes químicos convencionais, atualmente está sendo usada em tudo, desde naves espaciais e satélites até missões exploratórias. E, olhando para o futuro, o fluxo de plasma também está sendo investigado em busca de conceitos de propulsão mais avançados, bem como de fusão magnética.
No entanto, um problema comum com a propulsão a plasma é o fato de depender do que é conhecido como “neutralizador”. Este instrumento, que permite que a espaçonave permaneça neutra na carga, é um consumo adicional de energia. Felizmente, uma equipe de pesquisadores da Universidade de York e da École Polytechnique está investigando um projeto de propulsor a plasma que eliminaria completamente o neutralizador.
Um estudo detalhando suas descobertas de pesquisa - intitulado "Dinâmica de propagação transitória de plasmas fluidos acelerados por campos elétricos de radiofrequência" - foi lançado no início deste mês em Física dos Plasmas - uma revista publicada pelo Instituto Americano de Física. Liderados pelo Dr. James Dendrick, físico do Instituto de Plasma de York da Universidade de York, eles apresentam um conceito para um propulsor de plasma auto-regulável.
Basicamente, os sistemas de propulsão a plasma dependem da energia elétrica para ionizar o gás propulsor e transformá-lo em plasma (ou seja, elétrons com carga negativa e íons com carga positiva). Esses íons e elétrons são então acelerados pelos bicos do motor para gerar empuxo e impulsionar uma espaçonave. Exemplos incluem o propulsor de íons Gridded e de efeito Hall, os quais são tecnologias de propulsão estabelecidas.
O propulsor de íons Gridden foi testado pela primeira vez nas décadas de 1960 e 70 como parte do programa Space Electric Rocket Test (SERT). Desde então, ele tem sido usado pela NASA Alvorecer missão, que atualmente explora Ceres no cinturão de asteróides principal. E no futuro, a ESA e a JAXA planejam usar propulsores de ferro Gridded para impulsionar sua missão BepiColombo a Mercury.
Da mesma forma, os propulsores de efeito Hall foram investigados desde os anos 1960 tanto pela NASA quanto pelos programas espaciais soviéticos. Eles foram usados pela primeira vez como parte da missão Pequenas Missões para Pesquisa Avançada em Tecnologia-1 da ESA (SMART-1). Esta missão, lançada em 2003 e colidiu com a superfície lunar três anos depois, foi a primeira missão da ESA a ir para a Lua.
Como observado, as naves espaciais que usam esses propulsores requerem um neutralizador para garantir que permaneçam “neutros em termos de carga”. Isso é necessário, pois os propulsores de plasma convencionais geram partículas com carga mais positiva do que as com carga negativa. Como tal, os neutralizadores injetam elétrons (que carregam uma carga negativa) para manter o equilíbrio entre os íons positivos e negativos.
Como você pode suspeitar, esses elétrons são gerados pelos sistemas de energia elétrica da espaçonave, o que significa que o neutralizador é um consumo adicional de energia. A adição desse componente também significa que o próprio sistema de propulsão precisará ser maior e mais pesado. Para resolver isso, a equipe da York / École Polytechnique propôs um projeto para um propulsor de plasma que pode permanecer com carga neutra por conta própria.
Conhecido como o mecanismo de Netuno, esse conceito foi demonstrado pela primeira vez em 2014 por Dmytro Rafalskyi e Ane Aanesland, dois pesquisadores do Laboratório de Física de Plasmas (LPP) da École Polytechnique e co-autores do artigo recente. Como demonstraram, o conceito baseia-se na tecnologia usada para criar propulsores de íons em grade, mas consegue gerar escapamentos que contêm quantidades comparáveis de íons carregados de maneira positiva e negativa.
Como eles explicam no decorrer de seu estudo:
“Seu projeto é baseado no princípio da aceleração do plasma, pelo qual a extração coincidente de íons e elétrons é alcançada através da aplicação de um campo elétrico oscilante nas ópticas de aceleração em grade. Nos propulsores de íons de grade tradicionais, os íons são acelerados usando uma fonte de tensão designada para aplicar um campo elétrico de corrente contínua (dc) entre as grades de extração. Neste trabalho, uma tensão de auto-polarização dc é formada quando a energia de radiofrequência (rf) é acoplada às grades de extração devido à diferença na área das superfícies energizadas e aterradas em contato com o plasma. ”
Em resumo, o propulsor cria um escape que é efetivamente neutro em termos de carga através da aplicação de ondas de rádio. Isso tem o mesmo efeito de adicionar um campo elétrico ao empuxo e efetivamente remove a necessidade de um neutralizador. Como o estudo deles descobriu, o propulsor de Netuno também é capaz de gerar empuxo comparável a um propulsor de íons convencional.
Para avançar ainda mais a tecnologia, eles se uniram a James Dedrick e Andrew Gibson, do York Plasma Institute, para estudar como o propulsor funcionaria sob diferentes condições. Com Dedrick e Gibson a bordo, eles começaram a estudar como o feixe de plasma poderia interagir com o espaço e se isso afetaria sua carga equilibrada.
O que eles descobriram foi que o feixe de escape do motor desempenhou um papel importante em manter o feixe neutro, onde a propagação de elétrons após serem introduzidos nas grades de extração atua para compensar a carga espacial no feixe de plasma. Como afirmam em seu estudo:
“A espectroscopia de emissão óptica [P] resolvida por hase foi aplicada em combinação com medições elétricas (funções de distribuição de energia de íons e elétrons, correntes de íons e elétrons e potencial de feixe) para estudar a propagação transitória de elétrons energéticos em um plasma fluente gerado por um rf propulsor de plasma acionado por auto-polarização. Os resultados sugerem que a propagação de elétrons durante o intervalo de colapso da bainha nas grades de extração atua para compensar a carga espacial no feixe de plasma. ”
Naturalmente, eles também enfatizam que testes adicionais serão necessários antes que um propulsor de Netuno possa ser usado. Mas os resultados são animadores, pois oferecem a possibilidade de propulsores de íons mais leves e menores, o que permitiria naves espaciais ainda mais compactas e com baixo consumo de energia. Para agências espaciais que desejam explorar o Sistema Solar (e além) com um orçamento, essa tecnologia não é nada senão desejável!
