Em 1977 quando as sondas Voyager 1 e Voyager 2 foram lançadas, uma jornada que não se sabia exatamente até onde poderia chegar, tinha início. As sondas tinham por função explorar os limites do sistema solar, explorando os planetas além de Saturno. Naquela época escrevi um artigo na Eletrônica em Foco falando das fontes de energia atômica que poderiam alimentar essas naves e outras que viajariam para além do ponto em que as baterias solares poderiam ser úteis. Volto a explorar esse assunto nesse artigo.
Estamos acostumados a ver notícias constantes de lançamentos de satélites, sondas e mesmo estações espaciais que aproveitam no espaço a fonte mais abundante de energia disponível que é a obtida da luz solar.
As células fotovoltaicas de hoje, com seu alto rendimento, são mais do que suficientes para fornecer toda a energia que precisamos para os equipamentos eletrônicos dessas naves e até mesmo motores iônicos de manobras no espaço. No entanto, isso só ocorre porque estamos relativamente próximos do Sol.
Muita energia perto do Sol
A quantidade de energia que podemos obter do sol é abundante para a todas as nossas principais aplicações. Na verdade, ela é tão abundante que move praticamente tudo o que precisa de energia na terra, de forma direta ou indireta.
A energia de nossos alimentos é energia solar armazenada nas plantas ou na carne dos animais que consomem plantas outros animais. A energia das represas vem da água que é evaporada pelo calor solar e depois cai na forma de chuva enchendo as represas. A energia eólica vem dos ventos criados pelas diferenças de temperatura na atmosfera criadas pelo calor solar e assim por diante.
Na cadeia alimentar o primeiro elemento é justamente a energia solar conforme mostra a ilustração (figura 1).
Mas, o que nos interessa no caso das viagens espaciais é a energia solar que pode ser usada, já que em princípio pensamos em usar painéis solares.
Quanto de energia solar podemos obter de forma eficiente e até onde
Considerando que o sol é a única fonte de energia no espaço em nossa volta nos perguntamos: até onde podemos obter energia dele de forma eficiente. Para isso vamos partir de um parâmetro simples que é hoje utilizado pelas empresas que instalam painéis fotovoltaicos. Podemos obter 1 kW de energia para cada metro quadrado nas melhores condições de funcionamento que seria a iluminação direta (figura 2).
Esse valor, além da posição é claro, depende do rendimento das células que hoje são muito melhores do que no tempo em que as primeiras naves espaciais foram lançadas. Naquela época, obter uns 200 W por metro quadrado já era um feito.
Isso, entretanto ocorre a uma distância de 150 milhões de quilômetro do sol, que onde estamos e na nossa periferia onde está a maioria dos satélites. Mas quando nos afastamos da terra e, portanto, do sol as coisas mudam. Podemos considerar esse valor como médio para efeito dos cálculos que vamos fazer para que nossos leitores tenham uma ideia das dimensões do problema.
Ora, se considerarmos que a quantidade de energia obtida depende da quantidade de luz que incide na fotocélula e que pela lei do inverso quadrado ela se reduz a ¼ quando dobramos a distância, a uma distância de 300 milhões de quilômetros (2r) que seria um pouco além de Marte que se encontra a 225 milhões de quilômetros do sol, já teríamos apenas 250 W por metro quadrado se considerarmos o rendimento médio de um painel atual. A 450 milhões de quilômetros, já no anel dos asteroides teremos 111,1 W//m2. (figura 3)
Indo além, a 600 milhões de quilômetros, que seria quatro vezes a distância da terra ao sol, teríamos apenas 1/16 da energia que temos aqui, ou 62,5 W por metro quadrado. Um pouco mais, 700 milhões de quilômetros seria a distância de Jupiter. Podemos dizer que em Jupiter considerando uma distância média de 778 milhões de quilômetros, já teríamos menos de 50 W por metro quadrado.
Ora, a nave Voyager 1 se encontra hoje 25 bilhões de quilômetros ou 168 AU (*) e que, portanto, a quantidade de energia solar que ela recebe por metro quadrado e que poderia ser convertida por uma célula solar é 1 /1682 ou 1/28 224 o que nos leva a apenas 35 mW por metro quadrado.
(*) AU significa Unidade Astronômica (Astronomical Unit) que é distância média da terra ao sol da ordem de 150 000 km.
Isso não seria suficiente para alimentar os transmissores que precisam enviar seus sinais até nós. Para que vocês tenham uma ideia os sinais de rádio demoram 23 horas e 20 minutos para chegar até aqui! – quase 1 dia-luz (figura 4)
Obs.: A Voyager 1 seguiu uma rota diferente, mas já está a 21 bilhões de quilômetros.
Os sinais extremamente fracos que chegam até nós não vêm de transmissores alimentados por fotocélulas. Outra fonte de energia foi usada. A energia atômica e como isso é feito é que veremos a seguir. Na figura 5 uma das antenas receptoras do Deep Space Network que monitora seus sinais.
Pilhas atômicas
A conversão direta da energia atômica em eletricidade ainda não é possível. O que se faz já há um bom tempo é aproveitar essa energia de forma indireta. Por exemplo, convertendo a luz que determinados materiais radioativos podem produzir pela radiação em eletricidade usando uma célula solar, ou ainda fazendo ainda a radiação emitida incidir num material fosforescente e colocar sobre esse material uma célula solar. Na figura 6 temos um exemplo de célula atômica desse tipo.
Num artigo que escrevemos para a revista Eletrônica em Foco nos anos 70, explicamos o funcionamento da bateria de promécio-147.
O promécio ou promethium-147 é um isótopo usado em pilhas atômicas para diversas aplicações incluindo marca-passos e satélites. No entanto, sua meia-vida pequena (2,62 anos) torna as baterias operacionais por apenas uns 5 anos.
Lembramos que vida-média ou meia-vida para um material radioativo é o tempo que ocorre para que a intensidade de sua radiação se reduza à metade. (figura 7)
Nesse tipo de pilha as partículas Beta emitidas incidem numa camada de fósforo sobre a qual é colocada uma célula fotovoltaica. O promécio ou Promethium é um dos elementos do grupo das terras-raras. Na verdade, é tão raro que não é encontrado na natureza, sendo produzido em reatores.
Evidentemente, com esse curto tempo de capacidade operacional, essas baterias não seriam as melhores para alimentar uma sonda como a Voyager. A solução foi outra.
As baterias de Plutônio-238
Um elemento que se mostrou interessante para a aplicação desejada foi um isótopo de plutônio, o Plutônio-238 que tem uma meia-vida de 87,7 anos.
Lembrando que a meia-vida de um elemento é o tempo que ocorre até que sua radiação se reduza à metade, no caso da Voyager a potência de suas baterias ainda estão bem acima dos 50%, levando em conta a potência inicial e a curva de decaimento do Plutônio-238, ela está perdendo algo em torno de 4 W por ano de sua potência (figura 8).
As baterias de plutônio-238 da Voyager têm um princípio um pouco diferente das primeiras células atômicas de que tratamos. Em lugar de converter radiação beta em luz e luz em eletricidade ou ainda a própria fosforescência de um material e eletricidade com uma célula fotovoltaica, elas convertem o calor do material em eletricidade usando uma célula Seebeck que é o efeito Peltier invertido, conforme mostra a figura 9..
Como se sabe, uma junção semicondutora que tenha materiais em temperaturas diferentes cria uma tensão que pode ser aproveitada externamente. É o princípio das células termoelétricas. As pastilhas de efeito Peltier que é justamente o contrário, em que uma corrente numa junção tira o calor de um lado e o passo para o outro criando assim uma diferença de temperatura, podem ser usadas para criar eletricidade.
Assim, usando um material radioativo que se aquece pela desintegração natural, como o Plutônio 238 e uma célula que, ao transferir o calor para o frio espaço exterior temos a produção da energia que a sonda precisa, conforme mostra a figura 10.
No caso da Voyager, a célula termoelétrica usada tem 420 W de potência.
Na foto a bateria da Voyager 2.
A estrutura interna dessa pilha é mostrada na figura 12.
Uma pedra de gelo no lugar do Plutônio 238
Onde há uma diferença de temperatura cria-se um gradiente térmico, ou seja, um vetor que determina um fluxo de energia e esse fluxo de energia térmica pode ser convertido em outras formas de energia.
Calor é algo que se pode obter com facilidade e convertido em energia elétrica também, mas o que muitos talvez não pensem é que o frio também é uma fonte de energia, uma fonte de energia potencial térmica negativa!
Uma fonte de energia térmica negativa é uma pedra de gelo. O calor ambiente pode fluir para ela e nesse processo gerar energia. Exploramos isso num post em que falamos na quantidade de energia que está armazenada no gelo da Groenlândia e até demos um link para um artigo e um livro em que o assunto é explorado. (figura 14)
Sim, energia do gelo. Publicamos em nosso site um interessante projeto em que você pode usar uma pedra de gelo para alimentar um motor ou mesmo um radinho ou carregador de celular (sem brincadeiras – veja o link no final).
Como falamos, o que ocorre é que, pela física podemos obter energia de qualquer movimentação do calor e ela ocorre de um ponto mais quente para um mais frio. Estamos acostumados a obter a energia do calor usando um objeto aquecido que transfere o calor para o meio ambiente. Carnot explica.
No entanto, o fluxo pode ser ao contrário se o ar ambiente estiver mais quente que o local para que ele precisa transferir o calor, uma pedra de gelo. Assim, uma pedra de gelo, ao derreter (energia potencial térmica negativa) pode provocar um fluxo de calor que através de um dispositivo apropriado pode gerar energia elétrica. Energia do gelo é o artigo e o vídeo no link em que mostramos isso e você pode comprovar em casa que não é fake.
Mostramos um motor sendo alimentado pela energia gerada pelo derretimento de uma pedra de gelo. Na verdade, a energia vem do meio ambiente e parte dela ao derreter o gelo converte-se em eletricidade (se tem dúvidas, estude o ciclo de Carnot e veja por que não é toda energia que pode ser convertida).
Temos até um interessante livro chamado O Desafio do Gelo com o Professor Ventura e seus alunos Beto e Cleto em que mostramos de forma divertida como gerar energia suficiente para carregar seu celular ou alimentar um radinho com uma simples pedra de gelo;
Mas, o importante é que a Groenlândia que tem 2,6 milhões de quilômetros quadrados coberto por uma camada de gelo que em alguns lugares chega a 3km de espessura derreter pelo efeito do aquecimento global, a quantidade de energia que pode ser devolvida a circulação, pois foi sua dissipação pelo homem que causou o desiquilíbrio térmico da terra.
Algum bem interessante. Quer ver como obter energia do gelo em sua casa, veja o artigo no link. Basta comprar uma ou duas pastilhas de efeito Peltier (em torno de 25 reais cada) e ter seu radinho alimentado pelo gelo. Veja nossos projetos com energia alternativa.
https://www.newtoncbraga.com.br/robotica-e-mecatronica/36208-energia-do-gelo-%E2%80%93-uma-prova-de-fogo-mec568.html
Morte Térmica do Universo
Nosso universo existe graças ao fluxo de calor que é possível entre partes quentes e frias e nesse movimento temos as conversões que movem tudo.
Tudo que ocorre no nosso mundo envolve transformações de energia que no final se convertem em calor. O calor é o fim de tudo e segundo Lord Kelvin teremos o momento em que não haverá mais diferença nenhuma de temperatura entre todas as partes do universo.
Quando esse ponto de equilíbrio ou entropia máxima for atingido teremos a morte térmica do Universo ou Big Freeze em oposição ao Big Bang.
Referências:
1. Nasa – Missão Voyager - https://science.nasa.gov/mission/voyager/
2. Handbook of Elementary Physics – N. Koshkin - MIR – 1968
3. Desafio do gelo: https://www.newtoncbraga.com.br/robotica-e-mecatronica/36208-energia-do-gelo-%E2%80%93-uma-prova-de-fogo-mec568.html
4. Los Tesoros del Firmamento – F. Ziquel – Paraninfo
5. A Natureza do Universo – Fred Hoyle – 1962
6. Radio Astronomiy for the Amateur – D. Heisenman
7. Seção de astronomia site INCB - https://www.newtoncbraga.com.br/index.php/astronomia-e-astrofisica
