Propulsores de plasma usados ​​em satélites podem ser muito mais poderosos do que se acreditava anteriormente

Propulsores de plasma usados ​​em satélites podem ser muito mais poderosos

O brilho do plasma do propulsor H9 MUSCLE Hall durante um teste com propulsor krypton. Crédito: Laboratório de Plasmadinâmica e Propulsão Elétrica

Acredita-se que os propulsores Hall, um tipo eficiente de propulsão elétrica amplamente usado em órbita, devem ser grandes para produzir muito empuxo. Agora, um novo estudo da Universidade de Michigan sugere que os propulsores Hall menores podem gerar muito mais impulso – potencialmente tornando-os candidatos a missões interplanetárias.

“As pessoas pensavam anteriormente que você só poderia empurrar uma certa quantidade de corrente através de uma área de propulsão, que por sua vez se traduz diretamente em quanta força ou impulso você pode gerar por unidade de área”, disse Benjamin Jorns, professor associado de engenharia aeroespacial da UM que liderou o novo estudo do propulsor Hall a ser apresentado no AIAA SciTech Forum em National Harbor, Maryland, hoje.

Sua equipe desafiou esse limite executando um propulsor Hall de 9 quilowatts até 45 quilowatts, mantendo aproximadamente 80% de sua eficiência nominal. Isso aumentou a quantidade de força gerada por unidade de área em quase um fator de 10.

Quer chamemos de propulsor de plasma ou de propulsão de íons, a propulsão elétrica é nossa melhor aposta para viagens interplanetárias – mas a ciência está em uma encruzilhada. Embora os propulsores Hall sejam uma tecnologia comprovada, um conceito alternativo, conhecido como propulsor magnetoplasmadinâmico, promete colocar muito mais potência em motores menores. No entanto, eles ainda não foram comprovados de várias maneiras, incluindo a vida.

Acreditava-se que os propulsores Hall eram incapazes de competir por causa da maneira como operam. O propulsor, normalmente um gás nobre como o xenônio, se move através de um canal cilíndrico onde é acelerado por um poderoso campo elétrico. Gera empuxo na direção frontal conforme sai pelas costas. Mas antes que o propulsor possa ser acelerado, ele precisa perder alguns elétrons para obter uma carga positiva.






Elétrons acelerados por um campo magnético para correr em um anel ao redor desse canal – descrito como uma “serra circular” por Jorns – arrancam os elétrons dos átomos do propelente e os transformam em íons carregados positivamente. No entanto, os cálculos sugeriram que, se um propulsor Hall tentasse conduzir mais propelente através do motor, os elétrons zunindo em um anel seriam eliminados da formação, quebrando a função de “serra circular”.

“É como tentar morder mais do que você pode mastigar”, disse Jorns. “A serra circular não consegue passar por tanto material.”

Além disso, o motor ficaria extremamente quente. A equipe de Jorns colocou essas crenças à prova.

“Chamamos nosso propulsor de H9 MUSCLE porque, essencialmente, pegamos o propulsor H9 e fizemos dele um muscle car, aumentando-o para ’11’ – realmente até cem, se formos por escala precisa”, disse Leanne Su, estudante de doutorado em engenharia aeroespacial que apresentará o estudo.

Eles resolveram o problema de calor resfriando-o com água, o que os permitiu ver o tamanho do problema que a quebra da serra circular seria. Acontece que não foi muito problema. Funcionando com xenônio, o propulsor convencional, o H9 MUSCLE chegava a 37,5 quilowatts, com uma eficiência geral de cerca de 49%, não muito longe da eficiência de 62% em sua potência projetada de 9 quilowatts.

Funcionando com criptônio, um gás mais leve, eles maximizaram sua fonte de alimentação em 45 kilowatts. Com uma eficiência geral de 51%, eles atingiram seu impulso máximo de cerca de 1,8 Newtons, a par do muito maior propulsor X3 Hall da classe de 100 quilowatts.

Propulsores de plasma usados ​​em satélites podem ser muito mais poderosos

O estudante de doutorado Will Hurley deixa a câmara onde o novo propulsor de plasma Hall é testado no laboratório PEPL. Crédito: Marcin Szczepanski/Michigan Engineering

“Este é um resultado meio maluco porque, normalmente, o criptônio tem um desempenho muito pior do que o xenônio nos propulsores Hall. Portanto, é muito legal e um caminho interessante ver que podemos realmente melhorar o desempenho do criptônio em relação ao xenônio aumentando a densidade de corrente do propulsor, ” Su disse.

Propulsores Nested Hall como o X3 – também desenvolvido em parte pela UM – foram explorados para transporte de carga interplanetária, mas são muito maiores e mais pesados, dificultando o transporte de humanos. Agora, os propulsores Hall comuns estão de volta à mesa para viagens tripuladas.

Jorns diz que o problema de resfriamento precisaria de uma solução digna de espaço para que os propulsores Hall funcionem com essas altas potências. Ainda assim, ele está otimista de que os propulsores individuais possam operar de 100 a 200 kilowatts, organizados em arranjos que forneçam um megawatt de empuxo. Isso poderia permitir que missões tripuladas chegassem a Marte mesmo no outro lado do sol, percorrendo uma distância de 250 milhões de milhas.

A equipe espera buscar o problema de resfriamento, bem como os desafios no desenvolvimento de propulsores Hall e propulsores magnetoplasmadinâmicos na Terra, onde poucas instalações podem testar propulsores de nível de missão em Marte. A quantidade de propulsor que sai do propulsor é muito rápida para que as bombas de vácuo mantenham as condições dentro da câmara de teste semelhantes a um espaço.

Mais Informações:
Leanne L. Su et al, Operação e desempenho de um propulsor Hall blindado magneticamente em densidades de corrente ultraaltas, Fórum AIAA SCITECH 2023 (2023). DOI: 10.2514/6.2023-0842

Fornecido pela Universidade de Michigan

Citação: Propulsores de plasma usados ​​em satélites podem ser muito mais poderosos do que se acreditava anteriormente (2023, 24 de janeiro) recuperado em 25 de janeiro de 2023 em https://phys.org/news/2023-01-plasma-thrusters-satellites-powerful-previously.html

Este documento está sujeito a direitos autorais. Além de qualquer negociação justa para fins de estudo ou pesquisa privada, nenhuma parte pode ser reproduzida sem a permissão por escrito. O conteúdo é fornecido apenas para fins informativos.

Leave a Comment