Os engenheiros do MIT estão desenvolvendo um novo sistema de propulsão para espaçonaves que combina os pontos fortes dos foguetes químicos tradicionais com a eficiência e a precisão dos motores elétricos.
A tecnologia poderia dar aos pequenos satélites muito mais flexibilidade no espaço. Em vez de depender de sistemas de combustível separados para diferentes tipos de manobras, as futuras naves espaciais poderiam usar um único combustível para realizar manobras rápidas e ajustes lentos e altamente controlados.
No centro da abordagem está um combustível especial que funciona com sistemas de energia química e elétrica. Até agora, estas tecnologias normalmente exigiam combustível e equipamento separados, acrescentando peso e complexidade.
“Se você puder ter propulsão química e elétrica em um pacote pequeno, será o melhor dos dois mundos”, diz Amelia Bruno, ex-bolsista de pós-doutorado no Departamento de Aeronáutica e Astronáutica (AeroAstro) do MIT. “Isso abre a possibilidade para pequenos satélites fazerem ainda mais ciência, mais observações e missões mais interessantes, tudo em uma plataforma menor e mais barata”.
Bruno é o autor principal de um novo estudo publicado na revista Diário de Movimento e Poder. A pesquisa demonstra que um “monocombustível ecologicamente correto” originalmente desenvolvido pela Força Aérea dos EUA para um motor químico também pode alimentar com sucesso motores elétricos em miniatura conhecidos como motores de eletropulverização.
Uma combinação de movimento espacial químico e elétrico
Os motores Electrospray são pequenos motores de foguete do tamanho de uma moeda de dez centavos. Eles usam campos elétricos para carregar partículas em um combustível líquido e depois disparam essas partículas para o espaço, criando impulso.
Esses motores são extremamente eficientes em termos de combustível e adequados para manobras graduais e precisas. Por exemplo, eles podem empurrar lentamente uma nave espacial através de longas viagens interplanetárias enquanto consomem muito pouco combustível.
Os motores químicos têm um propósito diferente. Eles fornecem rajadas poderosas de impulso que permitem que a espaçonave acelere, desacelere, suba, desça ou mude de posição rapidamente.
Ao identificar um combustível capaz de alimentar ambos os sistemas, os pesquisadores do MIT acreditam que poderiam expandir enormemente as capacidades de pequenos satélites.
A equipe está atualmente trabalhando com a NASA na missão Green Propulsion Dual Mode, um CubeSat do tamanho de uma maleta equipado com um motor químico e quatro motores de eletropulverização. Todos eles consumirão combustível do mesmo tanque. Esta missão será a primeira tentativa de testar este tipo de sistema de propulsão dual-mode numa pequena nave espacial.
Se for bem-sucedida, a tecnologia poderá ajudar pequenos satélites a chegar muito além da órbita da Terra.
“Poderíamos enviar CubeSats para Marte ou para o cinturão de asteroides, onde eles poderiam se mover lentamente usando motores de eletropulverização”, diz o coautor do estudo Paulo Lozano, professor Miguel Aleman Velasco de Aeronáutica e Astronáutica no MIT. “Então você poderia usar seus motores químicos para se mover rapidamente e observar características interessantes. Você poderia ter muito mais flexibilidade para fazer muito mais coisas.”
Por que os combustíveis líquidos iônicos são importantes
O Laboratório de Lausanne projeta, fabrica e testa sistemas de propulsão por eletropulverização para satélites que variam em tamanho, desde uma lancheira até uma pequena mala de mão.
Em comparação com naves espaciais maiores, estes satélites compactos são muito mais baratos para lançar. Seu tamanho menor, entretanto, requer sistemas de propulsão igualmente compactos.
Os motores Electrospray atendem bem a esses requisitos. Os dispositivos criados no laboratório de Lausanne são do tamanho de uma miniatura. Cada propulsor fica acima de um tanque contendo propelente líquido iônico. Quando conectado a uma bateria, uma carga elétrica é aplicada aos íons no líquido. Essas partículas carregadas são então ejetadas através de pequenos orifícios no motor, criando impulso.
Durante a última década, o grupo de Lazano testou muitos projetos sob diferentes condições operacionais e com diferentes propelentes líquidos iônicos.
“Os líquidos iônicos são muito estáveis e podem até permanecer líquidos no espaço, o que poucos materiais conseguem”, diz Bruno. “E é essencialmente um mar de íons, então baseamos nossa tecnologia nisso para que possamos puxar esses íons para o eletrospray.”
Os pesquisadores do MIT também colaboraram com a Força Aérea dos EUA, que desenvolveu um novo combustível líquido iônico conhecido como Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic Fuel (ASCENT). O combustível foi originalmente desenvolvido para sistemas de propulsão química.
O ASCENT foi criado como uma alternativa mais segura à hidrazina, um combustível altamente tóxico tradicionalmente usado em muitos sistemas de propulsão de naves espaciais.
“ASCENT é uma mistura de líquidos iônicos”, diz Bruno. “E nós dissemos, ei, isso é o que normalmente usamos. Em teoria, deveria funcionar. Vamos descobrir como.”
Teste ASCENT em motores electrospray
Para avaliar o combustível, Bruno, Lozano e o ex-aluno de pós-graduação do MIT, Matthew Corrado, conduziram uma série de experimentos usando motores de eletropulverização movidos por ASCENT.
Cada propulsor foi conectado a um pequeno tanque em forma de cubo do tamanho de um tijolo de LEGO. Os pesquisadores encheram cada reservatório com um grama de ASCENT, um líquido com viscosidade semelhante ao óleo de bebê.
Os propulsores foram montados em lados opostos de um CubeSat colocado em uma plataforma especial de teste de levitação magnética conhecida como MagLev. A instalação está localizada dentro de uma grande câmara de vácuo que pode recriar condições semelhantes às encontradas no espaço.
Durante os testes, os pesquisadores alteraram remotamente a tensão aplicada aos motores. O eletrospray resultante gerou força suficiente para girar o CubeSat como um topo flutuante.
Ao medir o empuxo gerado e ao operar os motores continuamente por períodos de até 100 horas, a equipe conseguiu avaliar o desempenho e a eficiência do combustível.
Os resultados mostraram que a ASCENT teve sucesso no fornecimento de motores de eletropulverização. O combustível teve um desempenho equivalente ao dos líquidos iônicos convencionais comumente usados em sistemas de propulsão elétrica.
“Comparado aos nossos motores eletrospray convencionais, o ASCENT pode oferecer desempenho semelhante em termos de empuxo”, diz Bruno. “Agora que sabemos que nossos motores funcionam com o ASCENT, podemos começar a pensar em como torná-los ainda melhores”.
Uma missão da NASA testará um tanque de combustível comum no espaço
Como o ASCENT provou agora que pode suportar propulsão química e elétrica, os investigadores acreditam que a futura nave espacial terá um único tanque de combustível para alimentar ambos os sistemas.
Este conceito passará em breve pelo seu primeiro teste real como parte da missão Green Propulsion Dual Mode da NASA, com lançamento programado para novembro.
“Esta será a primeira vez que um satélite terá um tanque de combustível comum”, diz Lozano.
Além da exploração do espaço profundo, esta tecnologia também poderia melhorar as missões mais próximas da Terra. Lozano aponta o monitoramento do tempo e do clima como uma aplicação potencial.
“Digamos que há uma tempestade se aproximando e você deseja implantar sua constelação de pequenos satélites de observação em um só lugar”, diz ele. “Você pode enviá-los rápido ou lentamente, dependendo da natureza da observação. E a única maneira de fazer isso é ter dois sistemas de propulsão, o que agora é possível.”
Esta pesquisa foi apoiada em parte pela NASA.
