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    Como funcionam os foguetes de plasma
    A Ad Astra Rocket Company, uma empresa de engenharia de voo espacial na Costa Rica, é dedicado ao desenvolvimento de tecnologia avançada de propulsão de foguete de plasma. John B. Carnett / Bonnier Corporation

    Cinco. Quatro. Três. Dois. 1. Decole! Para o céu atira um foguete, movendo-se rapidamente além de nossa atmosfera e no espaço sideral. No último meio século, as pessoas passaram de apenas olhar para cima com espanto para as estrelas brilhando no céu noturno para realmente viver por meses a fio na Estação Espacial Internacional entre os corpos celestes. E embora os humanos tenham pisado na lua, o pouso em qualquer lugar mais distante foi reservado apenas para aeronaves e robôs não tripulados.

    Um lugar que as pessoas estão muito interessadas em visitar é Marte. Além dos desafios reais de pousar e passar qualquer tempo em um lugar tão hostil como o planeta vermelho, existe o grande obstáculo de realmente chegar lá. Na média, Marte está a cerca de 140 milhões de milhas (225,3 milhões de quilômetros) da Terra. Mesmo quando está no ponto mais próximo, ainda está a 35 milhões de milhas (56,3 milhões de quilômetros) de distância de nosso planeta [fonte:St. Fleur]. Usar os foguetes químicos convencionais que normalmente nos levam ao espaço sideral levaria pelo menos sete meses para chegar lá - não exatamente um curto período de tempo [fonte:Verhovek]. Existe alguma maneira de fazermos isso mais rápido? Entre no foguete de plasma!

    Em vez de usar combustível de foguete convencional, cientistas e engenheiros se voltaram para a promessa de foguetes de plasma para nos impulsionar para confins do espaço sideral. Neste tipo de foguete, uma combinação de campos elétricos e magnéticos é usada para quebrar os átomos e as moléculas de um gás propelente em uma coleção de partículas com carga positiva (íons) ou negativa (elétrons). Em outras palavras, o gás propelente torna-se um plasma.

    Em muitas configurações deste motor, um campo elétrico é então aplicado para ejetar os íons para fora da parte de trás do motor, que fornecem impulso para a espaçonave na direção oposta [fonte:Zyga]. Com essa tecnologia otimizada, uma nave espacial poderia, teoricamente, atingir a velocidade 123, 000 mph (198, 000 kph) [fonte:Verhovek]. Nessa velocidade, você poderia ir de Nova York a Los Angeles em um minuto!

    Conteúdo
    1. Plasma:o quarto estado da matéria
    2. Tipos de foguetes de plasma
    3. Próxima parada ... Marte?

    Plasma:o quarto estado da matéria

    Um homem confere a maior TV HD LCD do mundo em uma convenção em Berlim. As TVs de plasma agora são muito comuns. snapshot-photography / ullstein bild via Getty Images

    O mundo geralmente é dividido em três estados da matéria:sólido, líquido e gás. Quando a matéria está fria, é sólido. À medida que esquenta, ele se transforma em um líquido. Quando mais calor é aplicado, você pega um gás. A história não termina aí, Contudo. Conforme você adiciona ainda mais calor, você obtém - plasma! A energia extra e o calor separam os átomos e moléculas neutras do gás em íons tipicamente carregados positivamente e elétrons carregados negativamente. As partículas carregadas fornecem ao plasma interessantes propriedades condutivas, então a tecnologia de plasma é usada para fazer todos os tipos de itens que usamos todos os dias. Chips de computador, Placas de neon, até mesmo o revestimento metálico no interior de um saco de batatas fritas é criado com a tecnologia de plasma. E claro, existe a televisão de plasma que usa plasma para liberar fótons de luz, dando a você uma exibição colorida de pixels na tela. Na verdade, 99% da matéria comum do universo está no estado de plasma [fonte:Charles].

    A maioria das estrelas, incluindo nosso sol, são feitos de plasma. Se é tão predominante no universo, por que não vemos muito na Terra? Nós vamos, na realidade, nós fazemos. As luzes do norte e do sul são criadas pelos ventos solares. E o que são ventos solares? Plasma! OK, nem todo mundo tem a sorte de ver essas exibições de luz espetaculares, mas você pode ver o plasma em ação durante outro espetáculo de luz incrível fornecido pela natureza:uma tempestade. Conforme a eletricidade do relâmpago flui pelo ar, ele fornece tanta energia para as moléculas em seu caminho que os gases na trilha do raio são na verdade transformados em plasma.

    A tecnologia de plasma também tem sido usada em foguetes para nos ajudar a contornar o espaço sideral, e é a mais promissora para levar humanos a lugares que antes só podíamos sonhar. Esses foguetes precisam estar no vácuo do espaço sideral para funcionar, uma vez que a densidade do ar perto da superfície da Terra diminui a aceleração dos íons no plasma necessários para criar o empuxo, então não podemos realmente usá-los para decolar da terra. Contudo, alguns desses motores de plasma estão operando no espaço desde 1971. A NASA normalmente os usa para manutenção na Estação Espacial Internacional e satélites, bem como a principal fonte de propulsão para o espaço profundo [fonte:NASA].

    Tipos de foguetes de plasma

    O astronauta e físico costa-riquenho Franklin Chang Diaz explica a evolução de seu projeto de motor de plasma. MAYELA LOPEZ / AFP / Getty Images

    Todos os foguetes de plasma operam com o mesmo tipo de princípio:campos elétricos e campos magnéticos trabalham lado a lado para primeiro transformar um gás - normalmente xenônio ou criptônio - em plasma e, em seguida, acelerar os íons no plasma para fora do motor a mais de 45, 000 mph (72, 400 kph), criando um impulso na direção da viagem desejada [fonte:Science Alert]. Esta fórmula pode ser aplicada de muitas maneiras para criar um foguete de plasma funcional, mas existem três tipos que se destacam como os melhores e mais promissores [fonte:Walker].

    Propulsores Hall são um dos dois tipos de motores de plasma que são usados ​​regularmente no espaço. Neste dispositivo, os campos elétricos e magnéticos são configurados de forma perpendicular na câmara. Quando a eletricidade é enviada por meio desses campos de duelo, os elétrons começam a girar em círculos super-rápidos. À medida que o gás propelente é injetado no dispositivo, os elétrons de alta velocidade eliminam os elétrons dos átomos do gás, criando um plasma consistindo de elétrons livres (carregando cargas negativas) e os átomos agora carregados positivamente (íons) do propelente. Esses íons são disparados da parte de trás do motor e criam o empuxo necessário para impulsionar o foguete para frente. Enquanto os dois processos de ionização e aceleração dos íons acontecem em etapas, eles ocorrem no mesmo espaço neste motor. Os propulsores Hall podem gerar uma quantidade significativa de impulso para a energia de entrada usada, para que possam ir incrivelmente rápido. Mas há limites para sua eficiência de combustível.

    Quando a NASA está procurando um motor que economize mais combustível, em vez disso, se transforma em motores de íons em grade . Neste dispositivo comumente usado, os campos elétricos e magnéticos estão situados ao longo das paredes da câmara do motor. Quando a energia elétrica é aplicada, elétrons de alta energia oscilam dentro e ao longo dos campos magnéticos próximos às paredes. De forma semelhante ao propulsor Hall, os elétrons são capazes de ionizar o gás propelente em um plasma. Para realizar a próxima etapa de criação de impulso, grades elétricas são colocadas no final da câmara para acelerar a saída dos íons. Neste motor, a ionização e aceleração acontecem em dois espaços diferentes. Embora o motor de íon em grade seja mais eficiente em termos de combustível do que um propulsor Hall, a desvantagem é que ele não pode gerar tanto empuxo por unidade de área. Dependendo do tipo de trabalho que procuram realizar, cientistas e engenheiros aeroespaciais escolhem qual motor se adapta melhor à missão.

    Finalmente, existe o terceiro tipo de motor:VASIMR, abreviatura de Foguete de magnetoplasma de impulso específico variável . Este foguete, desenvolvido pelo ex-astronauta Franklin Chang Diaz, existe apenas na fase de teste agora. Neste dispositivo, os íons são criados por meio de ondas de rádio geradas por uma antena para formar o plasma. Outra antena mais a jusante adiciona energia que faz com que os íons girem em um círculo muito rápido. Um campo magnético fornece direcionalidade para que os íons sejam liberados para fora do motor em linha reta, entregando assim o impulso. Se isso funcionar, este foguete terá um enorme alcance de aceleração, algo que o propulsor Hall e o motor com grade de íons não conseguem alcançar tão facilmente.

    Próxima parada ... Marte?

    Foguetes convencionais são ótimos e nos levaram muito longe, mas eles têm suas limitações. Esses foguetes também funcionam com base no empuxo:o motor queima combustível, criando um gás de alta pressão que é forçado para fora do bocal do foguete em alta velocidade e o foguete é impulsionado na direção oposta [fonte:Brain]. Combustível de foguete, no entanto, é muito pesado e superineficiente. Não pode fornecer energia suficiente para chegar a lugares rapidamente. O combustível do foguete é consumido no esforço de sair da Terra e entrar em órbita, e então a espaçonave basicamente é forçada a apenas deslizar [fonte:Verhovek].

    Um foguete de plasma, por outro lado, usa muito menos combustível do que esses motores convencionais - 100 milhões de vezes menos combustível, na verdade [fonte:Science Alert]. É tão eficiente em termos de combustível que você pode ir da órbita da Terra à órbita da lua com apenas cerca de 30 galões (113 litros) de gás [fonte:Charles]. Foguetes de plasma aceleram gradualmente e podem atingir uma velocidade máxima de 34 milhas (55 quilômetros) por segundo ao longo de 23 dias, que é quatro vezes mais rápido do que qualquer foguete químico [fonte:Verhovek]. Menos tempo gasto em viagens significa menos risco de a nave sofrer falhas mecânicas e os astronautas serem expostos à radiação solar, perda óssea e atrofia muscular. Com VASIMR, a propulsão também estará teoricamente disponível durante toda a viagem, o que significa que mudanças de direção podem ser possíveis a qualquer momento.

    Para ser realista, neste ponto, viajar a Marte em um curto espaço de tempo ainda está muito longe. Alcançar esses tipos de distâncias extremas exigirá muita energia. A maioria dos propulsores Hall e motores de íons em grade funcionam com cerca de 5 quilowatts de potência. Para chegar aos níveis de potência, você precisa chegar a Marte em cerca de 40 dias, você precisaria de pelo menos 200 vezes essa quantidade [fonte:Walker]. A fonte de energia mais viável para gerar essa quantidade de energia no espaço sideral são as fontes de energia nuclear embutidas no motor. Neste momento, Contudo, colocar uma fonte de energia nuclear em um foguete que lançamos da Terra para o espaço representa uma ameaça excessiva de exposição à radiação no caso de um acidente.

    Portanto, a fonte de energia para alcançar essas distâncias continua sendo um grande desafio. Sem mencionar a incerteza de como o corpo humano reagiria ao viajar 34 milhas (54 quilômetros) por segundo (em oposição aos 4,7 milhas ou 7,5 quilômetros por segundo que os astronautas viajam para chegar à órbita terrestre inferior em foguetes convencionais) [fontes:Verhovek , Grupo de raciocínio qualitativo da Northwestern University]. Mas em teoria, dado poder suficiente, esses motores têm a capacidade de chegar a Marte em cerca de 40 dias, um feito que não teríamos ousado sonhar possível apenas 50 anos atrás.

    Publicado originalmente em:29 de setembro de 2016

    Perguntas frequentes sobre foguetes de plasma

    O que é um foguete de plasma?
    Neste tipo de foguete, uma combinação de campos elétricos e magnéticos é usada para quebrar os átomos e as moléculas de um gás propelente em uma coleção de partículas com carga positiva (íons) ou negativa (elétrons). Em outras palavras, o gás propelente torna-se um plasma.
    Quão rápido pode ir um foguete de plasma?
    Com essa tecnologia otimizada, uma nave espacial poderia teoricamente atingir a velocidade de 123, 000 mph (198, 000 kph). Nessa velocidade, você poderia ir de Nova York a Los Angeles em um minuto!
    Qual é o motor mais rápido para viagens espaciais?
    Atualmente a Parker Solar Probe, que foi lançado em 2018 para estudar o sol, é o objeto feito pelo homem mais rápido, incluindo nave espacial. De acordo com a NASA, Até a presente data, atingiu velocidades de 244, 255 milhas por hora (393, 044 quilômetros por hora) e esperava atingir uma velocidade máxima de cerca de 430, 000 milhas por hora em 2024.
    Quais são os diferentes tipos de motores de plasma?
    Propulsores Hall, motores iônicos em grade e foguete de magnetoplasma de impulso específico variável (VASMIR).
    Quão rápido pode ir o motor VASIMR?
    De acordo com a Ad Astra Rocket Company, a empresa por trás do VASIMR, o VASIMR não tem velocidade máxima. Em vez disso, o foguete continuará a acelerar sua espaçonave até ficar sem combustível.

    Muito mais informações

    Nota do autor:Como funcionam os foguetes de plasma

    Primeiro li "O marciano, "e agora eu escrevi este artigo. Nunca fiquei tão entusiasmado com Marte! Não tenho certeza se gostaria de ir lá, mas mais poder para os astronautas que um dia poderão caminhar sobre o planeta vermelho!

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    Mais ótimos links

    • Imagem do dia da NASA
    • Visões do Futuro:Cartazes de Exploração Espacial do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA

    Fontes

    • Allain, Rhett. "O que há de tão especial na órbita terrestre baixa?" Com fio. 15 de setembro, 2015. (25 de agosto, 2016) http://www.wired.com/2015/09/whats-special-low-earth-orbit/
    • Cérebro, Marshall. "Como funcionam os motores de foguete." HowStuffWorks.com. 1 de Abril, 2000. (25 de agosto, 2016) https://science.howstuffworks.com/rocket.htm
    • Charles, Christine. "O quarto estado da matéria - plasma." TEDx-Canberra. 3 de novembro, 2014. (24 de agosto, 2016) https://www.youtube.com/watch?v=n-17xqfF4FU
    • Harris, Tom. "Como funcionam os monitores de plasma." HowStuffWorks.com 19 de março de 2002. (9 de setembro, 2016) https://electronics.howstuffworks.com/plasma-display.htm
    • Nadis, Steve. "O foguete revolucionário que pode transportar humanos para Marte." Revista Descubra. 18 de abril 2014. (24 de agosto, 2016) http://discovermagazine.com/2014/may/12-rocketman
    • NASA. "Visão geral dos propulsores Hall." (30 de agosto, 2016) http://www.grc.nasa.gov/WWW/hall/overview/overview.htm
    • NASA. "Três classes de órbita." (25 de agosto, 2016) http://earthobservatory.nasa.gov/Features/OrbitsCatalog/page2.php
    • Grupo de raciocínio qualitativo da Northwestern University. "Quão rápido os foguetes convencionais podem ir?" (9 de setembro, 2016) http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/propulsion/2-how-fast-conventional.html
    • Alerta de ciência. "Este motor de plasma pode levar humanos a Marte com 100 milhões de vezes menos combustível." 28 de outubro 2015. (25 de agosto, 2016) http://www.sciencealert.com/this-plasma-engine-could-get-humans-to-mars-on-100-million-times-less-fuel
    • St. Fleur, Nicholas. "Um encontro próximo para a Terra e Marte." New York Times. 30 de maio 2016. (9 de setembro de 2016) http://www.nytimes.com/2016/05/31/science/mars-earth-closest-approach.html?_r=0
    • Verhovek, Sam Howe. "O 123, Motor de plasma de 000 MPH que pode finalmente levar astronautas a Marte. "Popular Science. 13 de outubro, 2010. (24 de agosto, 2016) http://www.popsci.com/technology/article/2010-10/123000-mph-plasma-engine-could-finally-take-astronauts-mars
    • Andador, Mitchell. Professor Associado de Engenharia Aeroespacial, Instituto de Tecnologia da Geórgia. Entrevista pessoal. 25 de agosto, 2016
    • Zyga, Lisa. "Foguete de plasma pode viajar para Marte em 39 dias." Phys.org. 6 de outubro, 2009. (24 de agosto, 2016) http://phys.org/news/2009-10-plasma-rocket-mars-days.html
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