A Equipe da 'UNSW Canberra Space' Avança na Propulsão a Iodo Para Satélites

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Credito: Space Daily

Ilustrativo.

 

No dia 18/02, o portal Space Daily noticiou que uma equipe da Universidade de Nova Gales do Sul de Camberra, na Austrália, ligada a UNSW Canberra Space, está avançando na 'Propulsão a Iodo para Satélites'.

 

De acordo com a nota do portal, Milhares de satélites são lançados todos os anos para dar suporte à navegação, telecomunicações, previsão do tempo e serviços de alerta de emergência, e a maioria depende de sistemas de propulsão a bordo para manobrar uma vez em órbita.

 

Esses sistemas de propulsão são essenciais para mudar de órbita, realizar a desorbitação ao fim da vida útil, executar manobras de desvio para evitar colisões com detritos espaciais ou outros satélites, manter ou ajustar a altitude e compensar o arrasto aerodinâmico para manter a espaçonave em posição.

 

Quase todos os sistemas em uso atualmente são, na prática, foguetes que geram empuxo ao expelir propelente armazenado a bordo em alta velocidade, sendo amplamente divididos em tecnologias de propulsão química e propulsão elétrica.

 

A propulsão química, conhecida pelos veículos lançadores que ejetam gases quentes e de alta pressão em velocidades supersônicas através de um bocal, continua sendo a única opção prática para levar cargas úteis da Terra ao espaço, devido à sua capacidade de fornecer empuxo muito elevado.

 

Uma vez que os satélites estão em órbita, os operadores recorrem cada vez mais a sistemas de propulsão elétrica, que utilizam energia elétrica proveniente de painéis solares ou baterias para acelerar propelentes por meio de campos elétricos ou magnéticos.

 

Para viabilizar esse processo, o propelente precisa ser ionizado, ou seja, elétrons são removidos de átomos ou moléculas, produzindo um plasma composto por íons carregados positivamente e elétrons carregados negativamente, que pode ser manipulado por campos aplicados para gerar empuxo.

 

A propulsão elétrica pode expelir o propelente em velocidades muito mais altas do que os sistemas químicos, reduzindo a quantidade necessária para manobras orbitais. No entanto, o empuxo resultante é extremamente baixo, comparável ao peso de uma folha de papel apoiada sobre a mão, sendo eficaz apenas no vácuo do espaço.

 

Em muitos sistemas de propulsão elétrica de alto desempenho, o xenônio tem sido o propelente tradicional, por ser um gás nobre não tóxico, amplamente inerte quimicamente em relação a materiais comuns, relativamente fácil de ionizar e com propriedades de armazenamento muito favoráveis.

 

Quando armazenado sob pressão suficiente, o xenônio pode atingir uma densidade maior que a da água líquida, permitindo o uso de tanques compactos que economizam massa e volume na espaçonave.

 

No entanto, o xenônio é raro e é produzido por destilação fracionada do ar, um processo industrial demorado e intensivo em energia, que gera apenas cerca de 1 quilograma de xenônio para cada 1000 toneladas métricas de oxigênio produzidas.

 

A combinação de capacidade de produção limitada, estimada em cerca de 50 a 60 toneladas métricas por ano, e altos custos de processamento eleva o preço do xenônio para aproximadamente 5000 dólares por quilograma, gerando preocupações quanto ao fornecimento futuro.

 

Previsões que indicam que até 2000 satélites poderão ser lançados anualmente, sendo que a maioria requer propulsão a bordo, sugerem que a demanda da indústria espacial apenas por xenônio pode exceder a produção global, mesmo antes de considerar seu uso na fabricação de semicondutores, aplicações médicas e iluminação.

 

Fatores geopolíticos também afetaram o mercado, com Rússia e Ucrânia sendo responsáveis juntas por cerca de 25 a 30 por cento da produção mundial de xenônio, e os preços subindo acentuadamente após o início do conflito na região.

 

Nesse contexto, o pesquisador da UNSW Canberra Space, Dr. Trevor Lafleur, e seus colegas concluíram o que descrevem como a revisão mais abrangente até o momento sobre o iodo e sua rápida ascensão como uma alternativa atraente de propelente para sistemas de propulsão elétrica espacial.

 

O iodo é amplamente encontrado no cotidiano, desde antissépticos tópicos e sal de cozinha iodado até suplementos para gestantes, sendo essencial para a saúde humana. No entanto, ele também apresenta uma série de propriedades que o tornam promissor para a propulsão de espaçonaves.

 

Ele possui massa atômica semelhante à do xenônio e requer ligeiramente menos energia para ionização, permitindo desempenho comparável ou potencialmente superior em propulsores elétricos.

 

Do ponto de vista de fornecimento e custo, o iodo é cerca de 100 vezes mais barato que o xenônio, enquanto sua produção global é aproximadamente 500 a 600 vezes maior, sugerindo que pode atender confortavelmente às necessidades atuais e projetadas da indústria espacial.

 

Em condições ambientes, o iodo é sólido, o que proporciona maior densidade de armazenamento do que o xenônio gasoso e elimina a necessidade de tanques de alta pressão, reduzindo a massa e o tamanho do sistema de armazenamento de propelente e dos componentes associados.

 

Essas vantagens de custo e massa são particularmente importantes para pequenos satélites e grandes constelações, nas quais sistemas de propulsão compactos e de baixo custo podem melhorar significativamente a viabilidade econômica das missões.

 

Apesar de seu potencial, o iodo apresenta vários desafios de engenharia que precisam ser superados antes de uma adoção em larga escala.

 

Como é armazenado na forma sólida, fornecer iodo a um propulsor é mais complexo do que simplesmente conduzir gás por uma válvula, sendo necessário aquecê-lo a pouco mais de 100 graus Celsius para que ele sublime diretamente do estado sólido para o gasoso.

 

Essa exigência impulsiona a necessidade de sistemas integrados de aquecimento e controle de fluxo capazes de levar o iodo de forma confiável à temperatura correta e regular sua saída gasosa para o propulsor.

 

O iodo também é substancialmente mais reativo quimicamente do que o xenônio e pode corroer materiais estruturais e de tubulação comuns, como ferro e alumínio, exigindo atenção cuidadosa ao projeto do sistema e à seleção de materiais.

 

No estado de plasma, o iodo apresenta uma química muito mais complexa do que o xenônio, com diversas vias de reação concorrentes, e a compreensão fundamental desses processos ainda é menos desenvolvida do que para propelentes tradicionais.

 

A UNSW Canberra Space está contribuindo para preencher essa lacuna de conhecimento por meio de pesquisas sobre o comportamento do plasma de iodo, novos conceitos de propulsão e projetos de sistemas adaptados a esse propelente.

 

Mais de 100 sistemas de propulsão elétrica a iodo já estão operando no espaço, mas a maioria funciona em níveis de potência relativamente baixos, abaixo de 100 watts, enquanto plataformas maiores frequentemente necessitam entre 1 e 10 quilowatts para aplicações de maior empuxo.

 

Os esforços agora se concentram em adaptar arquiteturas compatíveis com iodo para propulsores de maior potência, de modo que satélites maiores também possam explorar os benefícios desse propelente.

 

Outro obstáculo técnico envolve os neutralizadores, dispositivos que emitem elétrons para manter o equilíbrio de carga em sistemas de propulsão elétrica que aceleram íons positivos para gerar empuxo.

 

Como o iodo é extremamente reativo quimicamente, projetar neutralizadores que operem de forma estável e com alto desempenho em ambientes com iodo tem se mostrado difícil e continua sendo uma área ativa de investigação.

 

A UNSW Canberra Space conduz múltiplos projetos relacionados ao iodo, inseridos em suas prioridades mais amplas de pesquisa em segurança, proteção e sustentabilidade espacial, incluindo trabalhos voltados a aprimorar a compreensão fundamental dos plasmas de iodo.

 

A equipe estabeleceu parceria com a Universidade de Michigan para realizar o que é descrito como a primeira auditoria mundial de sistemas de propulsão a iodo, acompanhando sua evolução desde o projeto inicial até o desempenho em órbita.

 

Essa auditoria tem como objetivo fornecer à comunidade espacial uma compreensão mais clara das capacidades e da confiabilidade das tecnologias de propulsão baseadas em iodo

 

Em colaboração com a École Polytechnique, o CNRS e a Safran, na França, por meio de seu laboratório conjunto COMHET, o grupo também desenvolveu um dos modelos de química de plasma de iodo mais avançados disponíveis atualmente.

 

Os pesquisadores da UNSW Canberra Space estão utilizando esse modelo para interpretar medições laboratoriais e apoiar simulações numéricas que podem orientar o projeto de futuros sistemas de propulsão movidos a iodo.

 

O Dr. Lafleur, físico e engenheiro com mais de 14 anos de experiência em física de plasma e propulsão espacial, fez parte da equipe que projetou e colocou em órbita o primeiro sistema de propulsão elétrica alimentado por iodo demonstrado no espaço.

 

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