Os engenheiros do MIT estão desenvolvendo um novo sistema de propulsão para espaçonaves que combina as vantagens dos foguetes químicos tradicionais com a eficiência e precisão dos propulsores elétricos.
A tecnologia poderia fornecer aos pequenos satélites maior flexibilidade espacial. As futuras espaçonaves poderiam usar um único propulsor para realizar movimentos rápidos e ajustes lentos e altamente controlados, em vez de depender de sistemas de combustível separados para diferentes tipos de manobras.
Central para esta abordagem é um combustível especializado que pode ser usado com sistemas de propulsão química e elétrica. Até agora, essas tecnologias normalmente exigiam propulsores e hardware separados, acrescentando peso e complexidade.
“Se você puder ter propulsão química e elétrica em um pacote pequeno, será o melhor dos dois mundos”, disse Amelia Bruno, ex-pós-doutorada no Departamento de Aeronáutica e Astronáutica (AeroAstro) do MIT. “Isso abre a porta para pequenos satélites fazerem mais ciência, mais observações e missões mais interessantes em plataformas menores e mais baratas.”
Bruno é o autor principal de um novo estudo publicado na Nature revista de propulsão e potência. A pesquisa mostra que os “monopropelentes verdes” originalmente desenvolvidos pela Força Aérea dos EUA para propulsão química também podem alimentar com sucesso pequenos propulsores elétricos chamados propulsores de eletrospray.
Combinando propulsão espacial química e elétrica
Os propulsores Electrospray são motores de foguete em miniatura, do tamanho aproximado de uma moeda de dez centavos. Eles usam campos elétricos para carregar partículas em um propelente líquido e depois ejetar essas partículas para o espaço, criando impulso.
Esses propulsores são muito eficientes em termos de combustível e ideais para manobras progressivas e precisas. Por exemplo, eles poderiam impulsionar lentamente naves espaciais em longas viagens interestelares usando muito pouco combustível.
Os propulsores químicos têm finalidades diferentes. Eles fornecem rajadas poderosas de impulso, permitindo que a espaçonave acelere, desacelere, suba, desça ou mude de posição rapidamente.
Os pesquisadores do MIT acreditam que, ao encontrar um propulsor que possa alimentar ambos os sistemas, eles poderão expandir significativamente as capacidades de pequenos satélites.
A equipe está atualmente trabalhando com a NASA na missão Green Propulsion Dual Mode, um cubo do tamanho de uma pasta equipado com um propulsor químico e quatro propulsores de eletrospray. Tudo isso retirará combustível de um tanque. A missão será a primeira tentativa de testar este sistema de propulsão de modo duplo numa pequena nave espacial.
Se for bem-sucedida, a tecnologia poderá ajudar pequenos satélites a voar muito além da órbita da Terra.
“Poderíamos enviar CubeSats para Marte ou para o cinturão de asteróides, onde eles poderiam fazer uma viagem lenta usando propulsores eletrojato”, disse o co-autor do estudo Paulo Lozano, professor de aeronáutica e astronáutica no MIT. “Então você pode usar seus propulsores químicos para se mover rapidamente e ver características interessantes. Você tem mais flexibilidade para fazer mais.”
Por que os propelentes líquidos iônicos são importantes
O laboratório de Lozano desenvolve, fabrica e testa sistemas de propulsão por eletrospray para satélites que variam em tamanho, desde lancheiras até pequenas bagagens de mão.
Estes satélites compactos são muito mais baratos de lançar do que naves espaciais maiores. No entanto, o seu tamanho menor requer sistemas de propulsão igualmente compactos.
Os propulsores Electrospray atendem bem a esse requisito. O dispositivo criado pelo laboratório de Lozano tem aproximadamente o tamanho de uma miniatura. Cada propulsor fica acima de um reservatório contendo propelente líquido iônico. Quando conectado a uma bateria, uma carga é aplicada aos íons dentro do líquido. Essas partículas carregadas são então expelidas através de pequenas aberturas no propulsor, criando impulso.
Na última década, a equipe de Lozano testou vários projetos sob diferentes condições operacionais e usando vários combustíveis líquidos iônicos.
“Os líquidos iônicos são muito estáveis e podem até permanecer líquidos no espaço, algo que muitos materiais não conseguem fazer”, disse Bruno. “É basicamente um mar de íons, e é por isso que nossa tecnologia gira em torno dele para que possamos extrair esses íons para o eletrospray.”
Pesquisadores do MIT também estão trabalhando com a Força Aérea dos EUA para desenvolver um novo combustível líquido iônico chamado Advanced Spacecraft High Energy Nontoxic Propellant (ASCENT). O propelente foi originalmente projetado para uso em 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.
“Acontece que o ASCENT é uma mistura de líquidos iônicos”, disse Bruno. “Dissemos: ei, isso é o que normalmente usamos. Em teoria, isso deveria funcionar. Vamos ver como fazemos isso acontecer.”
Testando ASCENT em propulsores eletrospray
Para avaliar o combustível, Bruno, Lozano e o ex-aluno de pós-graduação do MIT, Matthew Corrado, conduziram uma série de experimentos usando propulsores de eletropulverização movidos a ASCENT.
Cada propulsor está conectado a um pequeno reservatório cúbico do tamanho de uma peça de Lego. Os pesquisadores encheram cada reservatório com um grama de ASCENT, um líquido com viscosidade semelhante ao óleo de bebê.
Os propulsores são montados em lados opostos do CubeSat, que fica no topo de uma plataforma de teste de levitação magnética personalizada chamada MagLev. O dispositivo está alojado em uma grande câmara de vácuo que recria condições semelhantes às do espaço.
Durante o teste, os pesquisadores variaram remotamente a voltagem dos propulsores. O eletrospray resultante cria força suficiente para girar o CubeSat como um pião flutuante.
Medindo o empuxo produzido e operando os propulsores continuamente por até 100 horas, a equipe conseguiu avaliar o desempenho e a eficiência do combustível.
Os resultados mostram que o ASCENT alimenta com sucesso os propulsores de eletrospray. O desempenho do combustível é comparável aos propelentes líquidos iônicos convencionais normalmente usados em sistemas de propulsão elétrica.
“Comparado aos nossos propulsores eletrospray regulares, o ASCENT pode fornecer desempenho semelhante em termos de empuxo”, disse Bruno. “Agora que sabemos que nossos propulsores funcionam com o ASCENT, podemos começar a pensar em como melhorá-los.”
Missão da NASA testará tanques de combustível compartilhados no espaço
Com o ASCENT agora comprovado como capaz de suportar propulsão química e elétrica, os pesquisadores imaginam futuras espaçonaves carregando um único tanque de combustível para alimentar ambos os sistemas.
O conceito enfrentará em breve seu primeiro teste no mundo real por meio da missão Green Propulsion Dual Mode da NASA, com lançamento previsto para novembro.
“Esta será a primeira vez que um satélite terá um tanque propulsor comum”, disse Lozano.
Além da exploração do espaço profundo, a tecnologia também poderia melhorar as missões mais próximas da Terra. Lozano aponta o monitoramento do tempo e do clima como uma aplicação potencial.
“Suponha que uma tempestade esteja chegando e você precise implantar uma frota de pequenos satélites para observar um local”, disse ele. “Você pode optar por enviá-las rápida ou lentamente, dependendo da natureza das observações. E a única maneira de fazer isso é se você tiver dois sistemas de propulsão, o que é possível agora.”
Esta pesquisa foi parcialmente apoiada pela NASA.
