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Motor Iônico (ART2416)

O limite é a velocidade da luz! Certamente não será com nenhum foguete de propulsão química comum que poderemos chegar às fantásticas velocidades próximas dos 300.000 quilômetros por segundo que nos conduzirá aos sistemas planetários mais próximos ou mesmo aos confins de nossa Galáxia. Os pesquisadores e técnicos sabem disso, e dentre as soluções propostas para o futuro das viagens espaciais destacamos os motores de propulsão nuclear, os motores de propulsão isotópica, o motor de plasma e finalmente os motores de propulsão iônica, tão fantástica que já começa a ser testada na prática no próprio espaço. 

Não propomos a construção de um foguete completo, pois ainda existem grandes dificuldades técnicas que nem Russos ou Americanos ( veja nota do autor) transpuseram, mas propomos a montagem de um modelo experimental, uma nave em miniatura que se movimentará em círculos pela fantástica propulsão iônica, numa viagem que levará sua imaginação ao universo sem fim. Objeto de decoração, móbile, curiosidade ou ainda instrumento instrutivo de estudo dos princípios da propulsão do futuro, a utilidade para o projeto depende exclusivamente do leitor.

O artigo é de 1986. A partir de então as pesquisas levaram a evolução deste tipo de propulsão e hoje ele já é usado em naves espaciais e no posicionamento de satélites. Outros artigos no site tratam do mesmo assunto.

 

 No espaço como em terra, no ar ou no mar, todo sistema de propulsão parte do princípio da ação e reação de Newton precisamos “jogar” algo para trás se nos quisermos movimentar para frente.

Um carro movimenta-se porque o motor faz a roda propulsora girar e com isso empurrar a terra para trás, como ela é muito pesada em relação ao carro, surge uma reação em sentido contrário e o carro é levado para frente.

O navio tem uma hélice que “joga” a água para trás e em consequência é levado para frente pela força de reação que 'surge. O avião voa porque a hélice ou a turbina fazem o mesmo com o ar. (figura 1)

 

A toda ação corresponde uma reação de mesma intensidade porém em sentido contrário (Newton)
A toda ação corresponde uma reação de mesma intensidade porém em sentido contrário (Newton)

 

No caso de um foguete, como no espaço não existe nada para ser “jogado” para trás, ele precisa levar algo que é o próprio gás resultante da queima dos combustíveis.

A propulsão por meio de foguetes que “jogam” gases para trás tem-se revelado eficiente até agora, quando pensamos em termos da exploração do espaço vizinho à terra, no máximo indo até os planetas mais distantes de nosso próprio sistema.

Se pensarmos em termos de maiores distâncias, e mesmo em termos de futuro, vemos que este tipo de propulsão não pode ser considerado ideal e muito menos permanente.

De fato, a velocidade de um foguete está limitada pela velocidade máxima com que as partículas de gás podem ser lançadas para trás.

Acima de certo valor, deixa de haver interação entre estas partículas e nenhuma força atuará sobre o foguete de modo a movimentá-lo. Na prática o limite para velocidade de exaustão de foguetes químicos está em torno de 3.000 metros por segundo.

Se considerarmos também as viagens de longo curso, vemos que a quantidade de gás (Combustível e Comburente) para ser lançada para trás na propulsão seria gigantesca.

Imagine por exemplo uma viagem de 2 anos, como seria tipicamente necessária para levar uma nave da terra até Saturno.

Que tipos de propulsão poderiam ser usados no futuro e como funcionariam?

Diversas têm sido as propostas para meios dc propulsão a serem usados no futuro no espaço. Na verdade, alguns destes meios já estão sendo testados na forma de modelos no próprio espaço. Analisemos alguns destes meios:

 

Propulsão Nuclear

O motor nuclear teria a solução ideal para o problema de reunir maior quantidade de energia num mínimo de volume e de uma forma milhares de vezes melhor do que a conseguida com os melhores combustíveis químicos.

A ideia básica consiste em se usar um reator nuclear para aquecer hidrogênio que seria expelido a grande velocidade, fornecendo assim o empuxo necessário à movimentação da nave.(figura 2)

 

Figura 2 – Uma espaçonave nuclear
Figura 2 – Uma espaçonave nuclear

 

Os problemas deste tipo de propulsão são óbvios: os reatores são perigosos e precisam ter blindagens para proteger eventuais passageiros da nave de radiação.

Por outro lado, o hidrogênio expelido seria radioativo, podendo contaminar o ambiente. Tal foguete, em sua solução prática, teria um comportamento bem isolado do sistema de propulsão e só poderia funcionar no espaço, bem longe da terra!

 

Motor Isotópico

Isótopos são átomos de um mesmo elemento que se apresentam com pesos diferentes. O hidrogênio, por exemplo, pode aparecer no forma de três isótopos diferentes: o normal co um próton e um nêutron, na forma de deutério (dois nêutrons e um próton) ou na forma de trítio (três nêutrons e um próton).

Os elementos de pesos atômicos altos (acima de número 83) possuem isótopos que são naturalmente radioativos, isto é decompõem-se naturalmente emitindo partículas de radiação.

Estas partículas são do tipo alfa (núcleos de hélio formado portanto de dois prótons e dois nêutrons), beta (que são elétrons livres) e gama (que são ondas eletromagnéticas).

Para a propulsão de uma nave, em espacial interessam as partículas alfa que, por seu peso 10 000 vezes maior que as partículas beta, podem proporcionar um empuxo considerável.

Pesquisadores ingleses sugerem um “foguete isotópico” em que existe uma placa de tório-228, um isótopo do tório que é radioativo e tem uma vida média de 22 meses (vida média é o tempo que ocorre para que o material tenha sua massa reduzida à metade pela decomposição por radiação).

Esta placa emitiria então partículas radioativas em todas as direções. Uma espécie de blindagem de berilo seria então colocada de modo a permitir que as partículas alfa sejam irradiadas apenas numa direção, proporcionando assim o empuxo na direção desejada.

Um disco de uns 12 metros de diâmetro seria suficiente para propulsionar uma nave até Marte, segundo afirmam os pesquisadores.

Entretanto, como no caso do foguete de propulsão atômica, a operação deste só poderia ser feita a partir do espaço.

Isso, porque a propulsão obtida seria muito fraca, no sentido de que a força resultante da emissão de partículas alfa seria medida em termos de “gramas”.

Entretanto, se levarmos em conta que podemos esperar meses até que o veículo acelere até a velocidade máxima, os valores conseguidos seriam enormes.

A nave de propulsão isotópica seria viável para longos percursos apenas, dada sua pequena capacidade de empuxo.

O que valeria seria sua enorme autonomia.

 

Motor Iônico

Interessa-nos, em especial, esta forma de propulsão, pois é dela que nos vamos valer para a construção de nosso modelo.

Podemos conseguir uma boa propulsão para um foguete de duas formas: lançando uma boa quantidade de matéria à velocidade relativamente baixa ou então lançando uma pequena quantidade de matéria a altíssima velocidade.

Os dois processos dão bons resultados, mas se levarmos em conta que numa viagem muito longa existe necessidade de grande velocidade (que pelo primeiro modo não pode ser atingida) e ainda limitação de quantidade de matéria que pode ser lançada, o segundo é o melhor.

Enquanto que o lançamento de matéria comum tem por limitação uma velocidade baixa; da ordem de 3.000 m/s, além do que deixa de haver interação entre as partículas de gases.

O lançamento de íons (partículas dotadas de cargas elétricas) depende totalmente de forças de natureza elétrica que não precisam estar próximas para interagir, o que significa um limite teórico de velocidade extremamente alto: a própria velocidade da luz que é de 300.000 quilômetros por segundo!

Um motor iônico teria uma estrutura conforme a mostrada na figura 3.

 

Figura 3 – O motor iônico
Figura 3 – O motor iônico

 

Um gerador atômico produziria eletricidade num circuito de alta tensão capaz de produzir os íons, retirando os elétrons das partículas vaporizadas de Césio ou Rubídio.

A utilização do Césio ou Rubídio é justificada tanto pela massa elevada de tais elementos que proporcionaria um bom empuxo como pela facilidade com que podem ser ionizados.

A nuvem de íons seria então acelerada por eletrodos, saindo na forma de fino feixe.

Para que as partículas expelidas não interfiram nas que vierem depois, repelindo-as por ter a mesma carga, um eletrodo neutralizador é acrescentado.

Este, “devolve” os elétrons perdidos no processo de expulsão dos íons.

Motores pequenos, pesando entre 30 e 70 quilogramas, poderiam ser usados em satélites. Os primeiros experimentos práticos com um motor deste tipo foram feitos em 1964 com a espaçonave Russa Voskhod.

Veja o leitor que este sistema não proporciona um empuxo elevado, isto é, uma força capaz de acelerar rapidamente uma nave.

O empuxo é pequeno mas tem a vantagem de poder chegar a velocidades muito altas.

Isso significa que não poderíamos nunca usar tal sistema para tirar uma espaçonave da terra e lançá-la no espaço.

O que podemos fazer, e esta é a finalidade proposta para esta propulsão, é acelerar uma nave e partir do espaço a ponto de fazê-la atingir em longos intervalos de tempo velocidades incríveis para explorar outros sistemas planetários.

Uma nave com propulsão iônica que atingisse o limite prático teórico de 1/3 da velocidade da luz atingiria o sistema de Alfa-Centauri em 12 anos.

Um foguete de propulsão química comum, como os hoje usados para as viagens à lua ou a colocação em órbita de satélites demoraria 120.000 anos para fazer a mesma viagem!

 

O Nosso Motor

Como Funciona

Não temos condições práticas de montar um gerador atômico e colocá-lo para acelerar feixes de Césio ou Rubídio, mas podemos usar o mesmo princípio básico para movimentar uma nave em miniatura: o que fazemos é gerar de maneira comum uma alta tensão (30.000 volts aproximadamente) e acelerar íons do próprio ar atmosférico.

O feixe tênue de íons expelido pelo eletrodo de ionização movimenta com facilidade uma nave miniatura.

O efeito de expulsão dos íons já é bem conhecido dos estudantes de física: trata-se do efeito das pontas.

Um corpo carregado com uma alta tensão tende a expulsar as cargas elétricas pelas regiões pontiagudas, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4 – O efeito das pontas
Figura 4 – O efeito das pontas

 

Se a tensão for suficientemente elevada, a expulsão das cargas pode ser feita na forma de íons do ar ambiente, criando-se assim um fluxo fortemente repelido capaz de provocar a reação que precisamos para movimentar o sistema.

O torniquete elétrico é uma aplicação experimental desta propulsão, mostrado na figura 5.

 

Figura 5 – O torniquete elétrico
Figura 5 – O torniquete elétrico

 

As cargas expelidas pelas pontas fazem girar a pequena hélice de metal.

Para gerar a alta tensão usamos um circuito transistorizado que tem por base os transistores de comutação de alta tensão da Texas Instruments.

Excitando com pulsos de um multivibrador astável este transistor podemos obter tensões altíssimas numa bobina de ignição de automóvel. (figura 6)

 

Figura 6 – O circuito
Figura 6 – O circuito

 

A alimentação do circuito é feita com uma tensão dc 28 a 32 volts, aproximadamente com correntes entre 1,2 e 2 ampères, e depende dos ajustes.

Observamos que o emprego de altíssimas tensões no circuito exige o máximo de cuidado em seu manuseio.

 

O efeito

Bastante vistoso, principalmente no escuro, é o funcionamento do motor. O feixe de íons poderá ser visto como um pequeno rastro azulado na cauda da nave, a partir do eletrodo cuja ponta se mantém acesa.

Usando o aparelho como móbile ou em demonstrações deve-se evitar a aproximação ou o contacto com qualquer das partes sujeitas à tensão elevadíssima.

A lâmpada neon usada no interior da nave se mantém acesa com o funcionamento, além do que podemos claramente ouvir o barulho da expulsão dos íons.

 

Montagem

Como não se trata de montagem crítica ela pode ser tanto feita em ponte de terminais como em placa de circuito impresso.

Montamos protótipos nas duas versões e ambos funcionaram perfeitamente.

Na figura 7 temos a versão em placa que é a mais recomendada.

 

   Figura 7 – Placa para a montagem
Figura 7 – Placa para a montagem

 

Esta versão será alojada numa caixa de madeira de aproximadamente 12 x 25 x 35 cm, ou de acordo com as dimensões dos componentes maiores que são o transformador e a bobina de ignição.

Existem duas possibilidades para o transformador: pode ser um de 12 -I- 12 V com secundário de 3A pelo menos, caso em que o resistor de emissor de Q1 deve ser de 0,47 Ω x 5 watts, ou então de 28 V x 3A ou mais, caso em que o resistor de emissor dc Q1 deve ser de 1 ohm x 5 watts.

O principal componente da montagem é o transistor TIPL763A (Texas) que deve ser montado num radiador de calor.

Os demais transistores, dependendo da sua função também precisam de radiador.

Assim, Q1 que é o 2N3055 deve ser montado num radiador maior, pois controla a corrente principal que nos picos pode chegar a 2 ampères.

Os TIP31C também devem ser dotados de radiadores, se bem que menores.

Veja que devemos usar os transistores de sufixo C, pois suportam maiores tensões.

A Bobina de ignição LX é do tipo usado em veículos comuns com bateria de 12 V.

Esta bobina será colocada em um furo redondo feito na tampa da caixa, já que as ligações do setor de alta tensão devem ficar longe de qualquer parte condutora do aparelho, pois pelo contrário podem ocorrer arcos.

P1 e P2 são potenciômetros comuns, podendo o interruptor geral S1 ser conjugado a P1.

Este potenciômetro P1 controla a alimentação do circuito de modo a variar a tensão de propulsão, funcionando assim como rum controle de velocidade.

Já o potenciômetro P2 funciona como um controle de frequência que atua sobre o rendimento geral do circuito.

Este potenciômetro determina pois a potência máxima do motor.

No diagrama damos as tensões contínuas, medidas com um multímetro de 50k/V, que são encontradas com o potenciômetro P1 na posição de velocidade máxima e P2 na posição de rendimento intermediário, isso com um transformador de 28 volts.

Com um transformador de 24 volts estas tensões são um pouco menores.

Na parte superior da bobina, que corresponde ao terminal de alta tensão, é encaixada a haste condutora, feita com fio grosso comum, tendo na ponta um alfinete soldado. (figura 8)

 

Figura 8 – O eletrodo propulsor
Figura 8 – O eletrodo propulsor

 

A haste que segura a nave e é apoiada horizontalmente no alfinete tem um apoio feito em cobre com pequeno rebaixamento que se encaixa no alfinete.

E importante observar que este setor de alta tensão não deve ter qualquer ponta condutora.

Assim, os terminais de ligação na base da bobina devem ser limados se apresentarem qualquer ponta, assim como a solda do alfinete que deve ser perfeitamente redonda.

 

Figura 9 – Fugas no eletrodo
Figura 9 – Fugas no eletrodo

 

A presença de pontas significará uma fuga de alta tensão prejudicando sensivelmente o funcionamento do motor.

A haste horizontal onde é presa a nave também é feita com fio rígido cuja espessura não pode ser grande por causa do peso.

Como contrapeso usamos uma pequena gota de solda. Seu dimensionamento é feito experimentalmente de modo a haver equilíbrio. Esta gota deve ser perfeitamente redonda (sem pontas) para que não ocorram fugas de alta tensão.

Na soldagem do alfinete do terminal da lâmpada neon, também não podem ficar pontas.

A gota de solda deve ser a mais próxima da forma esférica que for possível, assim como a conexão à haste.

 

Prova e Uso

Terminando a montagem, o leitor deve conferir tudo com o máximo cuidado.

Antes de ligar, conecte seu multímetro na escala de tensões contínuas em paralelo com o resistor de emissor de Q1, conforme mostra a figura 10.

 

Figura 10 – Medindo a tensão no resistor
Figura 10 – Medindo a tensão no resistor

 

Este procedimento servirá para determinar a corrente drenada pelo circuito durante as provas.

Cada volt vai representar 1 ampère se o resistor for de 1 Ω ou então 2 ampères, se o resistor for de 0,47 Ω (aproximadamente).

Coloque o fusível no suporte e ligue a unidade, sem abrir o potenciômetro P1.

P2 deve estar inicialmente na posição média.

A nave deve estar em posição de funcionamento, ou seja, com a haste apoiada no alfinete do eletrodo vertical.

Vá abrindo vagarosamente P1 e observando o crescimento da corrente no multímetro.

Em determinado ponto você deve começar a ouvir o ruído da produção da alta tensão na forma de um chiado e a lâmpada neon no interior da nave deve acender.

À medida que você for abrindo P1 até o máximo, na ponta do alfinete de escape de íons na nave deve aparecer um ponto luminoso (será interessante trabalhar num ambiente obscurecido para vê-lo melhor) e ela deve começar a movimentar-se inicialmente, mais devagar, até depois de alguns segundos atingir maior velocidade.

Ajuste P2 para maior rendimento.

Se ocorrerem faíscas principalmente na base da bobina, não se preocupe, isso é normal, podendo ser eliminado o problema pela redução da potência ou pelo melhor isolamento desta parte do aparelho.

Na verdade, você vai observar um escape de cargas na base, dada a altíssima tensão, na forma de um fluxo azulado que emite certo ruído.

A velocidade máxima atingida pela nave dependerá de seu peso. O normal será uma volta a cada 1 ou 2 segundos, para as dimensões obtidas no protótipo.

É claro que a resistência do ar impede que ela atinja as velocidades fantásticas de um motor verdadeiro, já que no vácuo a aceleração seria até o limite dado pela velocidade da luz.

Num ambiente perfeitamente escuro, dependendo do rendimento de seu motor, você verá um feixe azulado de íons saindo do eletrodo da nave.

O cheiro de ozônio é justificado pela produção desta substância pela ação da alta tensão.

A descarga de alta tensão faz com que 3 moléculas de oxigênio reajam produzindo duas moléculas de ozônio: 3O2.

Para usar é preciso tomar cuidado para que ninguém se aproxime demais da nave nem a toque, pois a descarga é bastante forte já que toda alta tensão está presente no circuito.

Para demonstrações sugerimos encerrar o modelo em uma caixa de vidro ou acrílico.

 

Alguns cálculos Interessantes

As aplicações da propulsão iônica no futuro, em naves espaciais, por exemplo, mostram possibilidades incríveis.

A título de especulação, podemos realizar alguns cálculos teóricos simplificados que mostram as incríveis velocidades que uma nave poderia adquirir.

Para facilitar ao máximo (sem utilizar cálculo integral e diferencial) suporemos algumas grandezas como constantes, quando na realidade elas apresentam pequenas variações.

Assim, suporemos que num espaço de 1 metro, o campo elétrico produzido pela fonte de alta tensão se mantenha constante, com uma intensidade da ordem de 30.000 V/m (N/C).

Temos então que:

e = carga do elétron = carga do próton (núcleo de hidrogênio) = 1,6 x 10-19 C

m = massa do próton = 1,672 x 10-27 kg

Que velocidade atingiria um núcleo de hidrogênio lançado num campo constante (uniforme) depois de percorrer uma distância de 1 metro.

Partindo de:

 


 

 

Onde:

F é a força em Newtons que uma carga fica sujeita num campo elétrico de intensidade E e U é a ddp que num campo uniforme E se manifesta num percurso d. Ternos:

F = q x U/d

Colocando os valores supostos para nosso motor temos:

F = 1,6 x 10-19 x 30 x103/1

F = 1,6 x 30 x 10-16

F = 48 x 10-16

F = 4,8 x 10-15 N

A aceleração que um núcleo de hidrogênio (hidrogênio ionizado) colocado neste campo fica sujeito pode ser calculada por:

a = f/m

Onde:

a é a aceleração em m/s2

F é a força de natureza elétrica que atua sobre ele e que estamos supondo constante, no percurso considerado.

m é a massa do núcleo de hidrogênio (massa de 1 próton - massa de 1 nêutron).

a = 4,8 x 10-15/3,2 x 10-27

a = 4,8/3,2 x 1012

a =1,34 x1012 m/s2

Aplicando a equação de Torricelli, num espaço de 1 metro, podemos calcular a velocidade final do íon acelerado:

V2 = V20+2 x a (s-so)

Onde: V é a velocidade final (m/s)

Vo é a velocidade inicial (m/s)

a é a aceleração (m/s2)

S é a posição final (m)

So é a posição inicial (m)

Temos então:

V2=0 + 2 x 1,34 x 1012(1-0)

V2 = 2,68 x 1012

V = 1,63 x106 m/s ou 5 893 x 453 quilômetros por hora!

Nesta Velocidade, teoricamente a nave poderia ser propulsionada em sentido contrário, o que leva a possibilidades incríveis!

Uma viagem até o planeta Júpiter a 620 000 000 de quilômetros poderia levar apenas uns 4 dias, o que é muito menos do que o conseguido com uma nave convencional como a Explorer que levou mais de 1 ano para fazer o mesmo percurso!

 

Q1 - 2N3055 - transistor NPN potência

Q2, Q5 - TIP3IC - transistores NPN de potência

Q4, Q3 - BC548 ou equivalentes - transistores de uso geral NPN

Q6 - TIPL763 - transistor comutador de potência

D1 - 1N5403 - diodo retificador (5A x 50 V)

LED - LED vermelho comum

T1 - Transformador de 12 +12 V x 3 A ou 28 V x 3 A com primário de acordo com a rede local

LX - Bobina de ignição para veículo de 12 V

C1 - 1 000 à 2 200 µF x 50V – capacitor eletrolítico

C2 - 100 nF - capacitor cerâmico

C3 - 100 µF x 50 V - capacitor eletrolítico

C4 - 47 µF x 50 V - capacitor eletrolítico

C5 - 220 nF - capacitor cerâmico

C6 - 47 nF ou 100 nF - capacitor cerâmico

R1 - 4k7 x 1/4W - resistor (amarelo, violeta, vermelho)

R2 - 2k2 x ¼ W - resistor (vermelho, vermelho, vermelho)

R3 – 1 k x ½ W - resistor (marrom, preto, vermelho)

R4, R7 - 6k8 x 1/8 W - resistores (azul, cinza, vermelho)

R5 – 47 k x 1/8 W - resistor (amarelo, violeta, laranja)

R6 – 10 k x 1/8 W - resistor (marrom, preto, laranja)

R8 - 2k2 x 1/8 W - resistor (vermelho, vermelho, vermelho)

P1 – 10 k - potenciômetro lin ou log com chave

P2 - 47k - potenciômetro simples lin ou log

R9 - 0,5 ou 1 ohm x 5 watts - resistor de fio (ver texto)

Diversos: lâmpada neon, nave miniatura, fios rígidos, fios, solda, caixa para montagem, ponte de terminais ou placa de circuito impresso, suporte para fusível, fusível de 1 A, cabo de alimentação, etc.

 

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