O novo motor de satélite "movido a ar" pode ser inalado diretamente na atmosfera terrestre como combustível e pode permanecer em órbita indefinidamente no futuro.

Resumo:

Um novo motor de satélite que pode usar diretamente a atmosfera superior da Terra como propelente está atraindo a atenção da indústria aeroespacial.

O conceito vem do trabalho de doutorado de Francesco Romano, pesquisador da Universidade de Stuttgart, na Alemanha. A ideia central é converter as moléculas atmosféricas que originalmente desaceleraram o satélite em combustível para o sistema de propulsão, transformando assim os fatores que dificultam o funcionamento do satélite na fonte de energia necessária para manter a órbita.

Na região ultrabaixa da órbita terrestre, que fica a cerca de 100 a 450 quilômetros de distância da Terra, os satélites podem obter muitas vantagens únicas. Por estarem mais próximos do solo, os equipamentos de sensoriamento remoto podem capturar imagens mais nítidas, e os sistemas de comunicação e radar requerem significativamente menos energia. Ao mesmo tempo, a resistência atmosférica nesta área também pode arrastar naturalmente o satélite de volta à atmosfera e queimá-lo após ser desmantelado, reduzindo assim o problema de acumulação de detritos espaciais a longo prazo.

No entanto, essas vantagens apresentam uma séria desvantagem.

Mesmo a uma altitude de centenas de quilómetros, a atmosfera residual continuará a desacelerar os satélites. Se o impulso não for continuamente reabastecido, a altitude orbital do satélite diminuirá gradualmente e eventualmente cairá na atmosfera. Portanto, os satélites que operam atualmente em órbitas mais baixas geralmente dependem de sistemas de propulsão a bordo para fazer correções regulares de órbita, e esses sistemas de propulsão devem transportar reservas limitadas de combustível.

Os sistemas de propulsão elétrica tradicionais usam principalmente propelentes caros, como o xenônio. Depois que o combustível se esgota, a vida útil da missão do satélite geralmente é forçada a terminar, independentemente de o próprio satélite ainda estar intacto.

A solução proposta por Romano pertence ao “sistema de propulsão elétrica respiratória atmosférica”. Ao contrário dos métodos tradicionais, este sistema coleta diretamente a fina atmosfera que se aproxima durante o vôo, introduz as moléculas de gás no motor e, em seguida, usa um campo elétrico para converter essas moléculas em plasma, que é então ejetado para trás para gerar propulsão.

Teoricamente, enquanto o satélite ainda estiver numa altitude orbital com gás residual, ele pode continuar a obter uma fonte de propulsor sem ter que transportar uma grande quantidade de combustível adicional.

No entanto, transformar esta ideia aparentemente simples em realidade não é fácil.

Pesquisadores apontam que um dos maiores desafios em ambientes de órbita ultrabaixa vem do oxigênio atômico. Na alta atmosfera, a luz ultravioleta transforma o oxigênio comum em oxigênio monoatômico. Esta substância tem capacidade oxidante extremamente forte e corroerá rapidamente componentes importantes, como eletrodos metálicos, grades de aceleração e cátodos em motores iônicos tradicionais.

Em particular, o sistema catódico, responsável por neutralizar a carga, é mais suscetível a danos. Uma vez que o cátodo falhar, o satélite não conseguirá liberar partículas carregadas normalmente e o sistema de propulsão também perderá sua função.

Além disso, a alta atmosfera não é um ambiente estável. A densidade do gás flutua com as mudanças diurnas e noturnas, com a atividade solar e com a posição orbital, o que aumenta ainda mais a dificuldade do projeto do sistema de propulsão.

Para lidar com esses problemas, Romano projetou um novo tipo de propulsor de plasma de ondas espirais de radiofrequência. Comparado com os motores iônicos tradicionais, este projeto não depende de neutralizadores e sistemas catódicos que são suscetíveis à corrosão e realiza tarefas de propulsão gerando um jato de plasma quase neutro que contém íons positivos e negativos.

A equipe de pesquisa também desenvolveu estruturas especializadas de coleta atmosférica. O mais eficaz é um dispositivo de entrada de ar com estrutura de espelho parabólico. Em experimentos, esse projeto foi capaz de capturar cerca de 94,3% das moléculas de gás que se aproximavam. Mesmo que a atitude do satélite se desvie até certo ponto, a queda na eficiência da recolha é relativamente limitada.

A parte central do propulsor adota um projeto estrutural semelhante à "antena de gaiola" em equipamentos de ressonância magnética. Os resultados dos testes mostram que esta solução pode transmitir cerca de 99% da energia de radiofrequência para o propulsor, reduzindo significativamente a perda de energia causada pela estrutura tradicional da bobina.

Os resultados da simulação de laboratório mostram que o sistema de propulsão requer apenas 50 a 60 watts de potência para formar um fluxo de plasma estável e, em um ambiente orbital real, espera-se que a potência necessária para manter a operação contínua seja inferior a 1,6 quilowatts. Os pesquisadores acreditam que essa demanda pode ser totalmente atendida por painéis solares comuns.

De acordo com os cálculos do modelo, se o desempenho do sistema atender às expectativas, o satélite poderá manter uma órbita a uma altitude de cerca de 190 a 250 quilômetros por um longo período sem a necessidade de reabastecer os propulsores tradicionais. Isto não só significa que a vida da missão pode ser significativamente prolongada, mas também que a qualidade do lançamento e o custo da missão podem ser reduzidos.

Os pesquisadores enfatizaram que essa tecnologia ainda está em fase de verificação experimental e modelagem teórica e ainda não foi testada em missões espaciais reais. Sua confiabilidade a longo prazo, adaptabilidade ao ambiente orbital e eficiência real de propulsão ainda precisam ser verificadas.

Apesar disso, a indústria geralmente acredita que os sistemas de propulsão de respiração atmosférica representam uma direção importante para o desenvolvimento de satélites de órbita ultrabaixa. Se forem implantados com sucesso no futuro, espera-se que a próxima geração de satélites de observação da Terra, satélites de comunicação e mesmo outras sondas planetárias dependam do gás natural do ambiente circundante para manter a operação, eliminando assim a dependência dos propulsores tradicionais.