Propulsor de íons

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Motor a íons

Um Propulsor de Íons é um dos diversos tipos de propulsão espacial, que utiliza feixe de íons como força propulsora. Os métodos de aceleração de íons são variados, mas todos utilizam a vantagem da relação carga-massa dos íons, acelerando-os a velocidades elevadas utilizando campos elétricos elevados. Dessa forma, um propulsor de íons é capaz de conseguir um impulso específico elevado com pequena massa de reação. Os propulsores de íons permitem uma eficiência maior que os propulsores a foguete tradicionais de combustível líquido, porém com baixas acelerações.

O primeiro motor a íon, conhecido como Motor de Íons tipo Kaufman, foi desenvolvido por Harold R. Kaufman, físico da NASA nos anos 1960, e foi baseado no Duoplasmatron.

[editar] Modelos de propulsores de íons

Existem vários modelos de propulsores de íons em desenvolvimento atualmente; alguns já em uso e outros ainda em testes. Alguns dos tipos são:

Electrostatic ion thrusters
Field Emission Electric Propulsion
Hall effect thrusters
Helicon Double Layer Thruster
Electrodeless plasma thruster
Pulsed inductive thruster
Magnetoplasmadynamic thruster
Variable specific impulse magnetoplasma rocket

Outras formas de propulsores elétricos de alta eficiência foram também propostos. Para maiores detalhes, veja Propulsão de naves espaciais

[editar] Desenho Geral

Diagrama de funcionamento de um motor a íons eletroestático

No projeto mais simples, chamado motor a íons eletroestático, um gás inerte como argônio ou vapor de mercúrio são ionizados pela exposição a elétrons fornecidos por um cátodo. O íons assim produzidos são acelerados passando por uma grade altamente carregada eletroestaticamente. Elétrons são, então, injetados dentro do fluxo de íons enquanto os íons carregados positivamente são ejetados pelo motor. Isso mantém a espaçonave eletricamente neutra. A aceleração é conseguida com uma pequena massa de reação (isto é, o impulso específico é muito elevado).

[editar] Uso de Energia

A principal preocupação é a quantidade de energia ou força requerida para o funcionamento do motor, utilizada em parte para ionizar os materiais, mas principalmente para acelerar os íons às velocidades extremamente altas requeridas para o perfeito funcionamento do motor. Velocidades de exaustão da ordem de 30 km/s não são incomuns. Essas velocidades são bem suporiores às velocidades conseguidas com os melhores foguetes químicos, que chegam a 3–4.5 km/s. E isso conseguido com uma quantidade notavelmente baixa de propelente.

Utilizando propulsores de íons, a maior parte da energia é utilizada para impulsionar os íons a alta velocidade, e isto afeta os níveis de pressão. Sabemos que a pressão total obtida de uma dada quantidade de energia é inversamente proporcional à velocidade de exaustão (desde que o consumo de energia por o quilograma do propulsor seja proporcional à velocidade da exaustão, mas a pressão por o quilograma do propulsor é somente proporcional à velocidade da exaustão ^[1]). Para aumentar a força de exaustão em 10 vezes, é necessário um aumento de 100 vezes da potência elétrica.

Para um exemplo extremo, um motor de íon que usa um acelerador de partículas pode ser projetado para conseguir uma velocidade da exaustão que aproxima a velocidade de luz. Isto poderia fornecer um impulso específico de propulsão que aproxima 30.000.000 segundos, mas este daria inevitável uma força de aceleração insignificante devido ao fluxo baixo do propulsor.

A velocidade da exaustão alcançada por íons quando são acelerados dentro de um campo elétrico pode ser calculada usando a seguinte equação (não-relativistica):

$V_e=\sqrt{2{Q \over M} V_a}$

[editar] Força de Aceleração

Na prática, com as fontes de energia utilizadas atualmente com geração de uns dez quilowatts, os motores a íons dão somente forças extremamente modestas (frequentemente dezenas ou centenas de newtons). Os grandes motores de propulsão de íons requerem fontes de força elétrica grandes e maciças. Os motores do íons fornecem tipicamente taxas de aceleração para naves espaciais de 10^-5 a 10^-3 g (0.0001 m/s² a 0.01 m/s²).

[editar] Vida útil

Devido à baixa força de impulso, o tempo de vida do motor de íons torna-se importante. O motor deve ser mantido funcionando por uma grande parte do tempo, para garantir uma aceleração contínua e permitir uma velocidade útil.

No projeto mais simples de motor iônico, os íons frequentemente colidem com a grade aceleradora, produzindo desgaste na mesma e sua eventual falha. Grades aceleradores menores diminuem a probabilidade dessas colisões, porém também diminuem a quantidade de carga elétrica que podem acumular, diminuindo assim a aceleração.