INPE e Aeronáutica Desenvolvem Motor e Combustível Sustentável para uso em foguetes e satélites
Olá leitor!
Segue abaixo um artigo publicado na a edição de Junho de
2015 da “Revista Pesquisa FAPESP” destacando que a FAB e o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) estão desenvolvendo Motores a Combustível Sustentável para uso em Foguetes e Satélites.
Duda Falcão
TECNOLOGIA
Propulsão Verde
INPE e Aeronáutica desenvolvem Motor e Combustível
Sustentável Para Uso em Foguetes e Satélites
YURI VASCONCELOS
Revista Pesquisa FAPESP
ED. 256 - JUNHO 2017
© LÉO RAMOS CHAVES
Utilizar um combustível renovável para foguetes e satélites,
com baixo índice de toxicidade, menos agressivo à saúde humana e mais amigável
ao meio ambiente, é o objetivo de dois grupos de pesquisa brasileiros, um do
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e outro no Instituto de
Aeronáutica e Espaço (IAE), braço de pesquisa do Departamento de Ciência e
Tecnologia Aeroespacial (DCTA) do Comando da Aeronáutica. No INPE, cientistas
do Laboratório Associado de Combustão e Propulsão (LCP), em Cachoeira Paulista
(SP), desenvolveram um novo combustível espacial, também chamado de propelente,
que tem entre seus ingredientes o etanol e o peróxido de hidrogênio, a popular
água oxigenada. Um diferencial do combustível é que ele não precisa de uma
fonte de ignição, como uma faísca, para entrar em combustão e fazer o motor
funcionar. No IAE, em São José dos Campos (SP), a pesquisa foi realizada em
conjunto com o Centro Aeroespacial Alemão (DLR), direcionada ao desenvolvimento
de um motor para veículos lançadores de satélite que funcione com etanol e
oxigênio líquido.
Os principais propelentes
utilizados em foguetes e satélites são a hidrazina, que é o combustível, e o
tetróxido de nitrogênio, a substância que provoca a reação de queima. Essas
substâncias apresentam bom desempenho em propulsores, mas têm desvantagens. Além
de serem caros, a hidrazina e seus derivados são cancerígenos, o que requer um
cuidado muito grande com o seu manuseio. Já o tetróxido de nitrogênio pode ser
fatal após alguns minutos de exposição, em caso de vazamento ou má manipulação.
A busca por um combustível
espacial alternativo, menos nocivo à saúde e ao ambiente, não é uma
exclusividade de instituições brasileiras. “Agências espaciais de vários países
– entre elas a NASA, dos Estados Unidos – fazem pesquisa nesse sentido”, afirma
o engenheiro Carlos Alberto Gurgel Veras, diretor da Divisão de Satélites,
Aplicações e Desenvolvimento da Agência Espacial Brasileira (AEB). “Como o
Brasil não domina o ciclo de produção dos propelentes tradicionais usados em
motores de foguetes, desenvolver um combustível alternativo a eles seria um
avanço significativo para o setor”, destaca Gurgel. Ter um combustível de fácil
aquisição no país, em grande parte renovável e a preços baixos, faz parte do
pacote de desenvolvimento tecnológico a ser conquistado pela indústria
aeroespacial brasileira. Há mais de 20 anos, o INPE desenvolve satélites de
pequeno porte de coleta de dados ambientais e, em conjunto com a China, para
sensoriamento remoto, destinados à captação de imagens da superfície terrestre.
Todos foram lançados por foguetes estrangeiros.
O Brasil possui tecnologia de motores de propulsão com
combustíveis sólidos para pequenos foguetes usados em experimentos científicos
e tecnológicos. “Nosso principal objetivo é dominar as tecnologias necessárias
para o desenvolvimento de um motor de foguete movido a propelente líquido. Para
lançar satélites de grande porte é imprescindível o emprego desse tipo de
propulsão”, afirma o engenheiro metalúrgico Daniel Soares de Almeida, gerente
do projeto no IAE.
Especialista em combustíveis de foguetes e professora do
curso de engenharia aeroespacial da Universidade Federal do ABC (UFABC), em São
Bernardo do Campo (SP), a engenheira química Thais Maia Araujo considera
importante que o Brasil trabalhe na criação de um propelente renovável para o
setor. “O combustível em desenvolvimento no INPE, além de ser mais seguro e
fácil de manusear, é mais barato do que os propelentes tradicionais e tem o
apelo da sustentabilidade. O etanol é um combustível renovável e largamente
disponível no Brasil”, comenta.
O esforço do INPE para criar um propelente espacial à
base de etanol teve início há três anos. Coordenada pelo químico industrial
Ricardo Vieira, chefe do LCP, a pesquisa teve a participação do doutorando
Leandro José Maschio, da Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São
Paulo (USP). Embora possa ser usado em foguetes, o novo combustível é indicado
principalmente para satélites. “Nosso propelente pode ser mais bem utilizado
nos chamados motores de apogeu, usados na transferência de órbita de
satélites”, explica Vieira. Após serem lançados no espaço, esses aparelhos
precisam se posicionar na órbita correta e o deslocamento é feito por
propulsores existentes no próprio artefato.
© IAE
Maquete do foguete L75 desenvolvido
no IAE, que funciona
com etanol
e oxigênio líquido.
|
Adição Estratégica
O novo propelente, segundo
Vieira, tem uma eficiência próxima à dos combustíveis tradicionais. “A
composição contém cerca de 30% de etanol, 60% de etanolamina [composto orgânico
resultante da reação entre o óxido de etileno e amônia] e 10% de sais de
cobre”, conta o chefe do LCP. “A adição de etanol foi puramente estratégica,
uma vez que o Brasil é um grande produtor de álcool. Entretanto, durante o
desenvolvimento, constatamos que o etanol aumentou o desempenho do motor,
reduziu o tempo de ignição da mistura e barateou o combustível.”
Para fazer o motor
funcionar, a mistura formada por etanol, etanolamina e sais de cobre reage com
o peróxido de hidrogênio. “Ele funciona como um oxidante ao fornecer oxigênio
para a reação, elemento inexistente no espaço. O peróxido de hidrogênio se
decompõe quando entra em contato com o combustível. A reação é catalisada pelo
cobre, gera calor – em torno de 900 oC –, o que provoca a
ignição do etanol da etanolamina”, explica Vieira. O resultado é a produção de
grande volume de gases, responsável pela propulsão desejada. A combustão
espontânea é proporcionada diretamente pelo contato dos componentes químicos. A
mistura é controlada por softwares e, havendo possibilidade, pela interferência
de técnicos da terra.
Outra vantagem é o baixo
custo. O INPE importa hidrazina por cerca de R$ 700 o quilo (kg) e tetróxido de
nitrogênio por R$ 1,3 mil/kg. “Estimamos que o combustível à base de etanol e
etanolamina venha a ter um custo aproximado de R$ 35/kg e o peróxido de
hidrogênio a R$ 15/kg. Como um satélite carrega mais de 100 kg de propelente, a
economia é grande nesse aspecto, porém relativamente pequena em relação ao
custo final do aparelho”, ressalta Vieira. “Mas se levarmos em conta sua
aplicação futura em estágios de foguetes lançadores de satélites, a economia
passa a ser bastante significativa.”
Para demonstrar que o
propelente é viável e funciona, o INPE projetou e testou em seu laboratório um
propulsor empregando o novo combustível com sucesso. De acordo com Vieira, o
próximo passo seria fabricar um motor maior e realizar ensaios no vácuo,
simulando as condições do espaço. “Segundo o pesquisador, a AEB já demonstrou
interesse em financiar a fabricação e os testes de um motor empregando o
combustível à base de etanol. “Se estabelecermos bem o ciclo para a realização
do projeto e encontrarmos os parceiros certos, creio que o motor movido a
etanol e etanolamina pode ficar pronto em 10 anos”, afirma Gurgel.
No IAE, a equipe
encarregada do projeto de um motor de foguete alimentado por etanol deu um
passo importante com a realização de testes bem-sucedidos. Os ensaios foram
feitos no final do segundo semestre de 2016 nos laboratórios do Instituto de
Propulsão Espacial do DLR, em Lampoldshausen, na Alemanha, colaborador do IAE
no projeto. O motor L75 emprega etanol de melhor qualidade do que o automotivo
e oxigênio líquido. Seu nome é uma referência ao combustível líquido (L) e
empuxo do motor (a força que o empurra) de 75 quilonewtons (kN) – o suficiente
para tirar do chão um caminhão de 7,5 toneladas.
© IAE
Bancada de testes de motores no IAE,
em São José dos
Campos.
|
Desempenho Duplo
O projeto do motor L75
teve início no IAE em 2008 e cinco anos depois passou a contar com a
colaboração de técnicos e cientistas do DLR. Nos ensaios feitos este ano na
Alemanha, foram testados dois cabeçotes de injeção de combustível com conceitos
distintos, desenvolvidos simultaneamente por pesquisadores do IAE e do DLR. O
objetivo dos ensaios foi verificar parâmetros de desempenho de combustão e
definir a melhor tecnologia propulsiva. Os dois cabeçotes diferem na forma como
o combustível é pulverizado na câmara de combustão e misturado ao oxigênio.
“Nessa primeira série de
ensaios, os principais objetivos foram atingidos”, ressaltou a engenheira
aeroespacial alemã Lysan Pfützenreuter, gerente do projeto no DLR. “Foi
realizado com êxito um total de 42 ignições durante um período de 20 dias.
Pudemos analisar de perto, entre outras coisas, o comportamento e a
estabilidade do sistema durante a ignição e o arranque na câmara de empuxo.”
Análises preliminares dos resultados mostraram que os dois cabeçotes tiveram
desempenho similar.
A cooperação entre o IAE e
o DLR remonta o final da década de 1960, quando o Centro de Lançamento da
Barreira do Inferno (CLBI), no Rio Grande do Norte, foi usado para lançar
foguetes relacionados a experimentos científicos do Instituto Max Planck para Física
Extraterrestre. Por volta do ano 2000, a cooperação se fortaleceu com um acordo
para o desenvolvimento conjunto de um foguete de sondagem de dois estágios, que
viria a ser batizado de VSB-30 e que fez seu voo de qualificação em 2004. Mais
recentemente, em 2012, os alemães empregaram um foguete suborbital brasileiro,
o VS-40M, para levar ao espaço o experimento Shefex II (Sharp Edge Flight
Experiment), cujo objetivo foi desenvolver tecnologias-chave, como sistemas de
proteção térmica, para naves espaciais com capacidade de ir ao espaço e
retornar à Terra, suportando as duras condições de reentrada na atmosfera.
Segundo o IAE, ainda serão
necessários cerca de 10 anos para que o motor L75 realize seu primeiro voo de
qualificação, quando todos os parâmetros do propulsor serão testados. O projeto
foi dividido em quatro etapas (estudo de viabilidade, projeto preliminar,
projeto detalhado e qualificação) e encontra-se hoje na conclusão da segunda
fase. “A próxima é elaborar o projeto detalhado, o que deve ocorrer entre 2017
e 2021. Depois, para o período 2022-2026, o motor L75 entrará na fase de
qualificação, podendo, após esse período, realizar seus primeiros voos”, afirma
Almeida.
© DLR
Teste do motor L75 realizado em 2016 no Centro Espacial
Alemão, em parceria com pesquisadores brasileiros.
|
Alternativas Pelo Mundo
A NASA e a ESA têm
projetos de propelentes que podem substituir com vantagens a hidrazina
A agência espacial
norte-americana, NASA, planeja testar ainda este ano um propelente alternativo
à hidrazina, tradicional combustível de foguetes. Batizado de AF-M315E, ele é
um líquido à base de nitrato de amônia, substância mais fácil de obter e menos
perigosa de manipular que a hidrazina. Iniciado em 2012, o programa Green
Propellant Infusion Mission (Missão de Desenvolvimento de Propelente Verde) da NASA
conta com a parceria do Laboratório de Pesquisas da Força Aérea dos Estados
Unidos, responsável pela criação do combustível, e das empresas americanas
Aerojet Rocketdyne, que projetou o propulsor, e Ball Aerospace &
Technology, gestora do projeto. Segundo a Ball, o novo propelente tem
desempenho quase 50% superior ao dos sistemas que usam a hidrazina. Com isso,
um mesmo tanque pode levar um volume maior de AF-M315E, ampliando, em tese, a
duração de missões espaciais.
O novo propelente é
considerado verde pelos norte-americanos porque tem vantagens ambientais, como
a de ser menos tóxico do que a hidrazina. Ele será usado para manobrar um
satélite de pequeno porte no espaço. Durante 13 meses, serão feitas alterações
na altitude e inclinação orbital do artefato para demonstrar a viabilidade do
sistema propulsivo.
A Agência Espacial
Europeia (ESA) também tem candidatos a combustível verde. Um dos projetos
é o do monopropelente LMP-103S, desenvolvido pela empresa sueca Ecaps,
parceira da ESA. O principal ingrediente é uma substância conhecida como
dinitramida de amônio (ADN), obtida por meio de processos químicos cujos
resíduos são menos nocivos ao ambiente quando comparados aos de outros
propelentes espaciais. Metanol, amônia e água também entram em sua formulação.
O novo combustível,
segundo a Ecaps, é mais estável, eficiente e seguro de ser manuseado do que a
hidrazina. Com ele é possível reutilizar componentes dos sistemas propulsivos
que usam a hidrazina.
Projeto
Estudo da ignição
hipergólica do peróxido de hidrogênio com etanol cataliticamente promovido (nº 14/23149-2); Modalidade Auxílio à
Pesquisa – Regular; Pesquisador responsável Ricardo Vieira (IINPE); Investimento R$
156.558,58.
OBS: Veja mais nesta reportagem exibida dia 08/04/2017 pelo Jornal da Record da Rede Record de Televisão sobre este combustível desenvolvido pelo INPE.
Fonte: Revista Pesquisa FAPESP - Edição 256 – Junho de
2015
Comentário: Bom leitor eu pensei muito se deveria ou não
postar essa notícia aqui, já que sinceramente não acredito que essas
iniciativas do INPE e do IAE venham realmente serem uteis algum dia para o
Programa Espacial Brasileiro (PEB) e muito provavelmente, se chegarem a
fabricar protótipos, os mesmos acabem como peça de museu do Memorial Aeroespacial Brasileiro (MAB), em São
José dos Campos-SP, como uma lembrança de uma sociedade que não tem
comprometimento com nada. É muito facil visualizar este fim melancôlico já que
exemplos não faltam e também pelos fatos aqui apresentados nesta mesma matéria.
Escute bem leitor, não há razão nenhuma que justifique o emprego de mais dez
anos de desenvolvimento nesses projetos, afinal ja existe um conhecimento
acessível enorme sobre este tema, não é de agora que se faz motores movidos a
etanol e a literatura sobre o assunto e vasta e acessível a todos. Porém se o
DLR estiver conduzindo o desenvolvimento de seu projeto de motor com
comprometimento, não dou nem mais tres anos para que o motor alemão faça seu
voo de qualificação. Mas então porque no Brasil é assim Duda? Ora leitor, fora
o problema de contingenciamento de recursos contantes que o PEB enfrenta, não há
compromisso nenhum do governo em realizar nada que não venha colaborar com os
seus interesses nefastos, e como não há esse compromisso, não há cobrança, e não havendo cobrança de quem quer que seja, fica cada um por si defendendo
o seu, e nada melhor num universo como esse esticar o projeto e permanecer no
emprego até que surja algo melhor. Triste, mas é esta a nossa realidade. Monte uma equipe de Engenheiros Aeroespaciais séria, comprometida e motivada, forneça os recursos financeiros e logísticos necessários e cobre por resultados que em três ou quatro anos esta equipe desenvolve um protótipo de voo de um motor tipo o L75. O resto é conversa fiada. Aproveito para agradecer ao leitor Cláudio André pelo envio dessa matéria e ao leitor Jahyr de Jesus Brito pelo envio do vídeo.
se algum dia o motor-foguete L75 desenvolvido
ResponderExcluirno IAE, que funciona com etanol
e oxigênio líquido funcionar como esperado , também de imediato teremos o motor-foguete L-300 , com a armação conjunta de 4 L-75 unidos em um só motor-foguete.
" DOS PROPELENTES HIPERGÓLICOS DE IGNIÇÃO ESPONTÂNEA AOS FUTURÍSTICOS L-75"
ResponderExcluirA dinâmica do conhecimento no mundo ESPACIAL, depende de pesquisas e técnicas que vêm sendo estudadas para o desenvolvimento físico e intelectual de uma sociedade que domine este tipo de tecnologia complexa e restrita. A partir de novas pesquisas de novos vetores de potência propulsiva. A pergunta é: - O Brasil tem capacidade científica e excelentes cientistas ? A resposta é unanime: - Sim!!!! Descobrem novos métodos evolutivos da química propulsiva, essenciais para o desenvolvimento e garantia de um ISP (Impulso Específico), ideal para gerar energia suficiente para chegarmos, além dos 100 Km, e muito mais. A capacidade do nossos exemplares pesquisadores, doutores do Lab. Asoc. de Comb. e Propulsão ( LCP), me enche de ORGULHO!! descobrir como manipular os Hipergólicos menos agressivos, é puramente fantástico, pelos fatores de alerta, que estão relacionados sobre: manuseio; transporte; armazenamento; corrosividade, toxidez e risco de explosão.
De tal forma, é perceptível quanto deve ser valorizado e aprimorado cada vez mais o trabalho científico no Brasil. O conhecimento de novas técnicas e de novos horizontes consegue dinamizar o mundo da tecnologia de motores de foguete,a reagir com novos paradigmas. Quando mais técnicas são descobertas, mais capacidade o (LCP)tem acesso para desenvolver novos vetores de potência. Essa cadeia do conhecimento contribui de forma significativa para o desenvolvimento da percepção dos cientistas e engenheiros espaciais e para o progresso do PEB.
É possível imaginar o quando o conhecimento vem progredindo em passos de formiga, ao longo destes anos notei que agente perde muito tempo, vejam bem!!! Para concluir a fase Conceptual, leva 5 anos, para a fase preliminar, mais 5 anos, para a fase detalhada, mais 5 anos, somatório total = 15 para se concluir um projeto, e tem mais, quando vai lançar, BOM!! BOM!! quando não explode na plataforma, da chabu antes do apogeu. Aí me de uma garapa bem gelada!!!.