Os propulsores sólidos elétricos estão sendo explorados como uma opção mais segura para a pirotecnia, a mineração e a propulsão no espaço, porque eles se inflamam apenas com uma corrente elétrica. Porém, como todas essas aplicações exigem calor elevado, é importante entender como as altas temperaturas alteram a química dos propulsores. Pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, Universidade de Ciência e Tecnologia do Missouri e NASA usaram um modelo de computador que simula as propriedades termoquímicas de materiais de alta temperatura para prever a termoquímica de um novo propulsor sólido elétrico de alto desempenho.
“Nos propulsores de plasma pulsado por ablação, existe um plasma de alta temperatura próximo à superfície do propulsor sólido elétrico. O calor faz com que pequenas quantidades do propulsor sejam removidas ou removidas da superfície e se tornem vaporizadas. Esse material eliminado é então acelerado a altas velocidades para impulsionar o foguete. No entanto, a alta temperatura também altera a composição química do material. Não tínhamos informações sobre essa composição química até agora “, disse Joshua Rovey, professor associado do Departamento de Engenharia Aeroespacial da Grainger College of Engineering na U de I.
Quão quente estamos falando? A título de exemplo, 12.000 graus Kelvin é a temperatura da superfície de uma estrela. O modelo simulou temperaturas de 500 a 40.000 graus Kelvin.
Nessas altas temperaturas, a química do propulsor sólido muda. O material convencional de Teflon é composto de dois carbonos e quatro flúor que são ligados entre si. À medida que diminui, fica tão quente que as moléculas se dissociam. Os carbonos e flúor se destacam um do outro.
“Está tão quente que os elétrons saem desses átomos”, disse Rovey. “Agora você tem elétrons com carga negativa em movimento e íons com carga positiva que permanecem como um fluido. O gás quente é ejetado do propulsor em altas velocidades que geram naves espaciais de impulso e propulsão. Este trabalho é um modelo numérico para prever a termodinâmica e o equilíbrio de este propulsor quando vaporiza e está nessas altas temperaturas. ”
A pesquisa começou com um modelo numérico desenvolvido anteriormente para o material e dados de Teflon para fornecer uma referência. Depois de confirmar que simularam o Teflon corretamente, os pesquisadores usaram o mesmo modelo, mas usando as condições de entrada do propulsor elétrico de alto desempenho para prever sua condutividade e ionização nas mesmas temperaturas do Teflon.
Uma das principais conclusões do estudo é que o propulsor elétrico de alto desempenho tem uma entalpia mais alta – energia armazenada no gás – a essas temperaturas extremas.
“Podemos ter mais das chamadas perdas de fluxo congeladas associadas a esse material do que ao Teflon”, disse Rovey. “O propulsor elétrico de alto desempenho armazena mais energia internamente no gás. Para propulsão, queremos que essa energia vá para acelerar o gás. Não queremos colocar muita energia nesses modos internos. Sim, isso realmente gás quente, mas queremos gás de alta velocidade.
“Essa é uma das desvantagens de usá-lo – armazenar mais energia nesses modos internos reduz a eficiência. O que esta pesquisa mostrou é que o motivo é fundamentalmente devido à termoquímica do material – à composição dos átomos e moléculas em componentes elétricos de alto desempenho”. propulsor e como eles respondem ao calor intenso e a altas temperaturas “.
Rovey disse que as informações deste trabalho podem ser aplicadas a outras aplicações de propulsores sólidos, como pirotecnia ou na ablação a laser.
“Seja um propulsor de plasma pulsado alimentado por ablação, um laser ablando uma superfície ou outra técnica de deposição de energia, estamos simplesmente estudando como esse material se comporta em diferentes temperaturas – como sua composição química muda”.
O estudo, “Propriedades termodinâmicas do plasma de propulsor sólido sólido à base de nitrato de hidroxilamônio”, aparece no Journal of Thermophysics and Heat Transfer.
Publicado em 15/02/2020 13h22
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