Resumo: As tecnologias de propulsão podem ser divididas em três categorias diferentes: propulsão de ascencão (do inglês – escape propulsion), propulsão no espaço (do inglês – in-space propulsion) e propulsão no espaço profundo (do inglês – deep space propulsion). Os veículos de lançamento actualmente usados para a propulsão de ascensão  contam com tecnologias conceituadas, que tiveram apenas pequenas melhorias nas últimas décadas. Este artigo descreve o status da tecnologia para propulsão de ascensão com propulsores de combustível sólido, líquido e híbrida. De igual modo, para propulsão no espaço e no espaço profundo com propulsão de plasma e outros, resumindo-se nas principais características.

O artigo aborda as principais tendências, no que concerne ao desenvolvimento de novas tecnologias de propulsão, na medida em que apresenta os avanços verificados nesta área.

Palavras-chaves: Tecnologias de propulsão espacial, propulsão no espaço, propulsão no deep space, propulsão de ascensão.

Introdução

A função do sistema de propulsão é produzir impulso. O impulso é a força que move um corpo pelo ar ou pelo espaço. Diferentes sistemas de propulsão geram impulsos de maneiras diferentes, mas sempre por meio da aplicação da terceira lei de Newton. Em qualquer sistema de propulsão, um fluido de trabalho é acelerado através do nozzle e em reacção a esta aceleração se produz uma força no sistema, na direcção oposta da saída dos gases.

As tecnologias de propulsão espacial podem ser divididas em três categorias diferentes: propulsão de ascencão – da superfície da Terra para a órbita baixa (do inglês – Low earth orbit) e inclui todas as tecnologias de propulsão exigidas pelas missões espaciais quando o veículo de lançamento deixa a plataforma de lançamento; propulsão no espaço – começa onde o estágio superior se separa do veículo lançador até a órbita Geostacionária. Esta propulsão fornece o impulso que permite ajustar a velocidade, controlar a altitude, alterar a altitude da órbita, fazer manobras de manutenção e deorbiting de um satélite; propulsão no deep space – começa da esfera de influência da terra para o espaço sideral, englobando o espaço interplanetário, interestelar e intergaláctico.

Actualmente, uma das maiores dificuldades de operar missões espaciais não tripuladas está relacionada à energia e ao propelente necessários para o lançamento, transferência de órbita e manobra do satélite em órbita. Estudos em andamento indicam que a área de maior desafio nestas missões tem sido a propulsão.

Propulsão de ascencão  (Escape propulsion)

Até hoje, os tipos de propulsão usados ​​em veículos lançadores para ascensão são baseados em propulsão química.

Os propulsores de foguete usam, propelentes líquidos por causa de sua maior eficiência, propelentes sólidos, principalmente nos boosters, para melhorar a força propulsiva na descolagem e porque, embora menos eficientes, apresentam maior fiabilidade, robustez e potência.

As constantes preocupações ambientais no uso desta tecnologia resultam de uma necessidade crescente de propelentes não tóxicos que não prejudicam a vida no solo ou na atmosfera.

1. Propulsão de combustível líquido (Liquid fuel propulsion)

A propulsão líquida é constituído de dois compostos: combustível e oxidante. Na fase líquida, eles são armazenados separadamente em tanques e são bombeados para a câmara de combustão, onde ocorre a queima. É possível interromper a combustão ao desligar o fluxo de propelente.

1. Propulsão de combustível sólido (Solid fuel propulsion)

Em propulsão sólida, todos os componentes necessários (um oxidante e um combustível) são misturados e embalados em estado sólido como uma substância única. Uma vez iniciada a combustão, ela prossegue até que todo o propelente se esgote, libertando um grande volume de gases quentes que produzem o impulso. A maior desvantagem dos foguetes sólidos é que eles não podem ser controlados ou desligados após ignição, ou seja, não é possível intorromper a combustão.

O impulso específico dos propulsores de combustível sólidos não é tão alto quanto aos propulsores de combustível líquido, mas a facilidade de uso, o curto tempo de preparação e a relativa simplicidade de construção tornam esses propulsores preferidos para a mais ampla variedade de aplicações.

1. Propulsão híbrida (Hybrid propulsion)

São geralmente uma combinação entre propulsores de combustíveis líquido e sólido. A ideia básica é injectar um oxidante líquido em um grão de combustível sólido que não pode sustentar a combustão por conta própria. A combustão é controlado mediante o controlo do fluxo do oxidante líquido na câmara de combustão.

A principal vantagem desses propulsores é que tem a força propulsiva  semelhante ao do propelente sólido, e a combustão pode ser regulada, parada ou mesmo reiniciada, semelhante ao do propelente líquido.

Propulsão no espaço (In-space propulsion)

Essa propulsão geralmente ocorre na região entre a órbita baixa (LEO) e a órbita Geoestacionária (GEO). É nesta zona onde se encontram os satélites que fornecem serviços, tais como monitoramento da Terra, comunicações, observação da Terra, navegação, reconhecimento, vigilância, meteorologia e etc.

A propulsão no espaço usa geralmente propulsores não químicos, tais como:

1. Propulsão a plasma (Plasma propulsion – electric or ionic propulsion)

O plasma é a base de toda propulsão eléctrica ou iônica. É um dos últimos avanços na tecnologia dos propulsores e é usada como alternativa para propulsão química. (colocar o link do artigo do Tchedong).

1. Propulsão por corda (Tether propulsion)

A propulsão por corda consiste em um fio longo e fino fixado a partir de um satélite ou corpo em órbita. O movimento do fio através do campo magnético da Terra produz uma corrente eléctrica. A corrente no fio produz um campo magnético ao redor do fio, que interage com o campo magnético da Terra exercendo uma força no fio, que permite aumentar ou diminuir a órbita de um satélite, dependendo da direcção da corrente. Entre os factores de escolha do metal condutor geralmente está a alta condutividade eléctrica, baixa densidade, e dependendo da aplicação também incluem custo, resistência e ponto de fusão.

Propulsão no deep space (deep space propulsion)

Para missões aos planetas fora do nosso sistema solar, os requisitos de energia e massa do propelente tendem a ser maiores do que para missões mais próximas da Terra, devido à maior velocidade necessária da nave espacial de modos a reduzir a duração da missão, a menor intensidade solar, manobras envolvidas e a massa da própria nave espacial.

Aerocaptura (Aerocapture) – é a técnica que permite entrar na atmosfera de um corpo celeste alvo sem praticamente recorrer à propulsão química. A técnica utiliza a força de arrasto criada pela atmosfera (ou fricção atmosférica) de um corpo celeste para desacelerar a nave espacial que esteja chegando ao corpo com uma trajectória hiperbólica e o coloca em uma órbita elíptica. Os propulsores a bordo são usados para tornar a órbita circular.

Propulsão eléctrica solar (Solar electric propulsion) – usa a energia solar para ionizar e acelerar propelentes através dos propulsores eléctricos para mover uma nave espacial pelo espaço sideral. Apresenta um impulso específico maior do que os propulsores químicos normais, exigindo menos massa de propelente para ser lançado a bordo de uma nave espacial e foi avaliado para missões a Marte.

Propulsão por pressão solar (Solar sail propulsion) – É um tipo de propulsão que utiliza a luz do sol ou pressão da radiação solar, exercida pelo grande número de fótons, para gerar aceleração e movimentar o corpo pelo espaço. A vela solar (sail) é feita de grandes espelhos de material leve e altamente reflectivo, ou seja, é basicamente uma grande superfície reflectora de fótons que tem como fonte de energia o sol.

Propulsão nuclear (Nuclear propulsion) – é uma propulsão de alto impulso com o potencial de atingir o dobro do impulso específico dos melhores propulsores químicos de hidrogênio/oxigênio líquido. Ela inclui uma grande variedade de métodos de propulsão, os quais usam alguma forma de reacção nuclear como fonte de energia primária. 

O futuro da propulsão

Existem actualmente alguns projectos em desenvolvimento que mostram alternativas importantes e interessantes para o uso em satélites ou transporte de humanos para o deep space. Entre essas alternativas incluem algumas tecnologias como propulsão por pressão solar, fusão, a plasma, nuclear, gravidade assistida (gravity assist), etc.. O desenvolvimento de novas tecnologias de propulsão no espaço resultará, entre outras, em melhorias de impulso, potência, massa específica, volume, massa do sistema, complexidade do sistema, complexidade operacional, durabilidade e, claro, custo.

Propulsão por fusão (Fusion propulsion) – a reacção de fusão ocorre pela combinação de dois isótopos leves para liberar energia. A enorme quantidade de energia criada a partir dessas reacções é ejectada do motor para fornecer impulso. Usando este tipo de sistema de propulsão, uma nave espacial chegaria a Marte em apenas três meses, enquanto que usando foguetes convencionais levaria pelo menos sete meses.

Propulsão a Laser (Laser propulsion) – é o tipo de propulsão movida a feixe que utiliza uma fonte externa remota de laser de alta potência para prover a energia necessária para a propulsão. O feixe de laser é focalizado na traseira da nave espacial, onde ele é reflectido e concentrado por espelhos parabólicos.

Elevador espacial (Space elevator)

Uma solução alternativa  e interessante que muitos estudos ao redor do mundo estão buscando a fim de proporcionar um acesso mais seguro e de baixo custo ao espaço, que sendo ainda um mero sonho futurístico, o conceito já existe há mais de um século. O objectivo principal é entregar carga útil – satélites, astronautas ou outros equipamentos – ao espaço de forma economicamente viável.

O actual conceito do sistema de elevador espacial inclui uma corda vertical esticada da superfície da Terra até a órbita geoestacionária e veículos elétricos (climbers) que sobem e descem a corda. A rotação da Terra vai manter a corda esticada e capaz de apoiar os escaladores.

O grande desafio para tornar o elevador espacial real é o desenvolvimento de um material super resistente e flexível que possa ser usado para fazer a corda de 100.000 km e os cientistas afirmam que tal material poderá se tornar real antes de 2030.

Conclusão

Ao analisar o desenvolvimento das tecnologias de propulsão espacial nos últimos anos nos permite concluir que houve um progresso muito gradual que inclui melhorias em termos de impulso, redução de peso e eficiência de combustível.

Os tipos de propulsão usados para operar a região de propulsão no espaço são variações da propulsão química, como a usada na propulsão de ascensão, a propulsão não química e a propulsão de tecnologias avançadas. Muitas dessas tecnologias ainda estão em fase de desenvolvimento e não são consideradas tecnologias maduras ou conceituadas. Quanto a propulsão usada para operar a região de propulsão no deep space encontramos a química, não química, as tecnologias avançadas e entre outras como a técnica aerocaptura. 

Referências Bibliográficas

1. Salgado MCV, Belderrain MCN, Devezas TC – Space Propulsion: a Survey Study About Current and Future Technologies (2018);
2. Stephen L. Rodgers – Research opportunities in space propulsion (2009);
3. C. Bruno, C. Dujarric – In-space nuclear propulsion (2012);
4. Les Johnson, Michel Meyer, Bryan Palaszewski, David Coote, Dan Goebel, Harold White – Development priorities for in-space propulsion technologies (2012);
5. https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Propuls%C3%A3o_a_laser&oldid=59569463,https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Laser_propulsion&oldid=999412007 (Consultada em Março de 2021);

Congolo Sebastião

Analista de Subsistemas do Centro de Controlo e Missão de Satélites.

Mestre em Engenharia de Sistemas de Telecomunicações e Multicanais, pela universidade de Engenharia de Rádio do Estado de Ryazan, Rússia.

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