Demonstrador Tecnológico de Propulsão a Laser

Olá Leitor!

Segue abaixo um artigo postado dia (31/05) no site do Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica Henry T. Nagamatsu do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) destacando a tecnologia de propulsão a laser e o demonstrador tecnológico que o IEAv está desenvolvendo em conjunto com o Laboratório de Pesquisas da Força Aérea dos EUA (AFRL) visando o lançamento no de nano e /ou micro-satelites e cargas em órbitas terrestres baixas.

Duda Falcão

Demonstrador Tecnológico de Propulsão a Laser

31de maio de 2010

PROPULSÃO A LASER

A Propulsão a Laser é uma das mais avançadas e atrativas propostas para lançar nano e/ou micro satélites e cargas em órbitas terrestres baixas, caminhando para uma mudança de paradigma, com a eliminação da necessidade de carregar a bordo, combustível químico (sólido ou líquido), gerando redução do tamanho e peso, e conseqüente redução de custo.

Em princípio, a Propulsão Hipersônica a Laser combina o alto impulso específico típico da propulsão nuclear ou elétrica com o elevado impulso gerado na propulsão química. Isto se deve a dois fatores: i) o laser, que é a fonte de energia, não é levado a bordo, possibilitando o aumento da razão entre a força propulsora (impulso) e o peso do veículo lançador; ii) a absorção da radiação laser pelo propelente gera plasmas de temperaturas extremamente elevadas, contribuindo com o aumento do impulso específico (da ordem de 1000 s). Esses dois fatores, quando combinados, permitem reduzir consideravelmente os custos do lançamento de cargas e satélites ao espaço.

Como exemplo prático, o custo atual do transporte de nanosatélites, micro-satélites e pequenas cargas (massa de 10 até 100 kg) para órbitas terrestres baixas por meio de lançadores convencionais, é de aproximadamente US$ 20.000,00/kg do material a ser transportado. Entretanto, estima-se que empregando Veículos Aeroespaciais a Propulsão a Laser, tal custo poderia ser reduzido para US $ 200,00/kg. Esta tem sido a grande promessa da Propulsão a Laser que revolucionaria o transporte espacial tradicional.

Experimentos científicos em andamento nos Estados Unidos da América (EUA), Japão, Rússia e agora no Brasil indicam que a Propulsão a Laser poderá se tornar, em um futuro não muito distante, uma realidade. O Laboratório de Pesquisas da Força Aérea dos Estados Unidos (AFRL – Air Force Research Laboratory) estima tornar realidade essa quebra de paradigma na próxima década.

Em 1998, Leik N. Myrabo realizou, com sucesso, experimentos em White Sands Missile Range, novo México (EUA), utilizando o veículo “Ligtcraft”, com o objetivo de demonstrar pela primeira vez, o vôo vertical, em velocidade subsônica, o conceito da Propulsão a Laser. Laser de CO2 de 10kW, 1kJ por pulso a 10Hz e pulso de 30 m s de duração, foi utilizado para fornecer o feixe laser, para a superfície parabólica, traseira, de um veículo de 50g e 14cm de diâmetro, foi capaz de proporcionar empuxo de 160N/MW, correspondente a aproximadamente 28m de altitude. Em outubro de 2000, utilizando mesmo Laser de CO2 de 10kW, o demonstrador de tecnologia “Lightcraft” de aproximadamente 50 g e 12,2cm de diâmetro, atingiu 71m de altitude, em 12,73s, com aceleração correspondente a aproximadamente 9m/s e empuxo de 360N/MW.

Este cenário identificado pelo Instituto de Estudos Avançados (IEAv) do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA), possibilitou ao Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica Prof. Henry T. Nagamatsu desenvolver a Concepção de um Demonstrador Tecnológico de Veículo Aeroespacial a Propulsão a Laser para realizar Vôo Atmosférico de até 10 km de altitude.

CONCEPÇÃO DA PROPULSÃO A LASER

Considere um veículo aeroespacial, denominado “Lightcraft”, Fig. 1, voando no regime de velocidade subsônica à hipersônica através da atmosfera terrestre, ao longo de um poderoso feixe de luz laser, rumo ao espaço. Dentro deste veículo, de dimensões reduzidas, encontram-se acondicionados um micro ou nano-satélite, sua carga útil, e nada mais além de seus sistemas de guiagem e de controle.

Torna-se desnecessário carregar os perigosos propelentes de um motor foguete convencional, pois toda a energia necessária para a jornada da superfície da Terra até a órbita provém do feixe laser que o ilumina e cuja fonte se encontra seguramente instalada na superfície do planeta ou em plataforma em órbita terrestre. Estando a fonte de luz laser ligada à rede elétrica local, o custo do acesso ao espaço passaria então a ser medido em kWh.

Demonstrador Tecnológico a Propulsão a Laser

O Veículo Aeroespacial a Propulsão a Laser, possui estruturalmente o nariz que serve como uma superfície de compressão, alimentando o veículo com ar aspirado (da atmosfera terrestre) que expande pela parte traseira conectada ao nariz. A parte traseira serve dualmente como: i) absorção de energia, através de espelho parabólico, que focaliza o feixe incidente de radiação laser numa região anular transversal ao escoamento do ar aspirado (até cerca de 40 km de altitude), ii) superfície de expansão (tubeira) acelerando os gases quentes produzidos pela focalização do feixe de radiação laser sobre o ar atmosférico. Circundando a interface entre o nariz e a traseira, existe uma saia anular que serve simultaneamente como entrada para o ar aspirado (até cerca de 40 km de altitude) e superfície de bloqueio contra a expansão ascendente do ar aspirado detonado durante sua ruptura dielétrica pelo laser. Acima de 40 km de altitude a atmosfera terrestre não é densa suficientemente para realizar a Propulsão a Laser no modo aspirado com ar atmosférico e planeja-se a utilização de ablação de propelentes sólidos via laser (modo foguete). Durante o modo foguete, as entradas de ar são fechadas, sendo a saia anular e a tubeira combinados para formar câmara propulsiva, onde a ablação a laser de um propelente sólido (acondicionado na saia anular) e a subseqüente aceleração do material gasoso ocorrem. Salienta-se que o Veículo Aeroespacial a Propulsão a Laser é perfeitamente simétrico e oco, permitindo que carga a ser lançada seja transportada à bordo.

Fonte: Site do Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica Professor Henry T. Nagamatsu do IEAv

Comentário: Essa tecnologia de vanguarda demorará ainda um pouco para se tornar realidade, mas é bom saber que o Brasil está envolvido com o seu desenvolvimento, pois permitirá ao país no futuro ter uma alternativa mais barata aos foguetes lançadores químicos. De qualquer forma, essa tecnologia só estará viável por volta de 2022 ou até mesmo depois disso.