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Propulsão iônica: como funciona?

A propulsão iônica, usada há décadas, é uma das formas mais eficientes de impulsionar sondas espaciais para explorar o espaço.

Funcionamento da propulsão iônica

Todo sistema de propulsão usa a Terceira Lei de Newton, uma força criada em uma direção produz uma força de igual intensidade no sentido oposto. Na propulsão iônica, íons são acelerados por um campo elétrico e a força causada pela aceleração dos íons cria uma força de reação, que impulsiona a sonda ou o satélite.

Câmara de ionização

Gás xenônio depositado em tanques é injetado dentro de uma câmara, um cátodo oco (electron gun), ligado a uma fonte com tensão e corrente elevadas, emite elétrons para a câmara de ionização, esses colidem com os átomos de xenônio e estes se tornam íons com carga positiva, ou seja, com falta de elétrons. Além de liberarem mais elétrons. Portanto, forma-se um plasma, o quarto estado da matéria, dentro da câmara.

princípio de funcionamento da propulsão iônica.
Uma câmara de ionização. A função dos anéis de ímãs (magnets) é acelerar os elétrons, para aumentar o número de colisões com os átomos. Fonte: Professor Quibb.

No lado oposto do cátodo, há duas grades (grid) eletrificadas, mas de sinais opostos, a distância entre as grades é entre 1 e 2 mm. As grades formam um campo elétrico para lançar os íons positivos para fora da câmara, produzindo uma força de reação que move a sonda ou satélite.

Propulsão iônica com 3 grades.
Alguns motores iônicos usam três grades eletrificadas, a terceira grade é positivamente carregada e é de desaceleração, para que a soma do potencial elétrico fique próximo de zero. Fonte: (Kuninaka, 2020).

Na parte externa, há um cátodo neutralizador, emite elétrons para tornar os átomos expelidos eletricamente neutros. Isto é necessário para que as cargas positivas expelidas não sejam atraídas pela grade negativa e pelos elétrons do motor e da nave, pois esta atração anularia a força de propulsão.

Aceleração de efeito Hall

Outro tipo de motor iônico acelera íons com a força de Lorentz (\vec{F}), que é a força eletrostática (q\vec{E}) mais a força magnética produzida pelo efeito Hall (q\vec{v}\times\vec{B}).

\vec{F}=q\vec{E}+q\vec{v}\times\vec{B}

Onde:

  • q é a carga elétrica da partícula em Coulomb (C).
  • \vec{E} é o vetor campo elétrico, cuja unidade é Newton/Coulomb (N/C).
  • \vec{v} é o vetor velocidade da partícula.
  • \vec{B} é o vetor densidade de fluxo magnético, em Tesla (T).
  • Enquanto o \times é o produto vetorial, diferente da multiplicação escalar que vimos na escola.
diagrama de motor iônico com efeito hall
Este é um diagrama de um motor iônico com propulsão de efeito Hall. Os campos elétrico (electric field) e magnético (magnetic field) são perpendiculares entre si. Possui um circuito magnético com bobinas magnéticas (magnetic coil) internas (inner) e externas (outer). O plasma fica confinado em paredes de nitreto de boro (boron nitride walls). Fonte: New Atlas.

Em um satélite ou sonda, painéis solares alimentam todo o sistema de propulsão iônica.

Por quê xenônio?

  • É um gás nobre, por isto, é inerte e não reage com outros elementos.
  • Permite um armazenamento mais compacto.
  • É o gás nobre não radioativo mais pesado, portanto, permite maior impulso. Além disto, o fato de não ser radioativo elimina muitos potenciais problemas.

Propulsão iônica x propulsão química

A eficiência da propulsão iônica é muito maior que a da propulsão química, que lança os foguetes da Terra ao espaço. No entanto, a propulsão iônica tem uma aceleração muito pequena em relação à propulsão química. Mas, a longa distância e a ausência de atrito no espaço permitem grandes velocidades em um intervalo de tempo suficientemente longo.

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About Pedro Ney Stroski

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