terça-feira, maio 12, 2009

Como funcionarão os propulsores de luz

Há mais de 20 anos, os EUA começaram a desenvolver um sistema de defesa contra mísseis que ganhou o apelido de "Guerra nas Estrelas".

Esse sistema foi projetado para rastrear e derrubar mísseis lançados por países estrangeiros utilizando lasers. Embora esse sistema tenha sido projetado para a guerra, os pesquisadores encontraram muitos outros usos para esses lasers de alta potência. Na verdade, eles poderiam até mesmo ser usados para colocar uma nave espacial em órbita e chegar a outros planetas.

Para alcançar o espaço, atualmente, utilizamos o ônibus espacial, que tem que carregar toneladas de combustível e possuir dois enormes foguetes propulsores atrelados a ele para tirá-lo do chão. Os lasers poderiam permitir que os engenheiros desenvolvessem espaçonaves mais leves, que não precisariam de uma fonte de energia a bordo. Esse veículo, chamado de nave de luz, funcionaria ele mesmo como motor, e a luz - uma das fontes de energia mais abundantes do universo - seria o combustível.

A idéia básica por trás do propulsor de luz é o uso de lasers para aquecer o ar até ele explodir, impelindo a espaçonave para a frente. Se funcionar, o propulsor de luz terá menos de um milésimo do peso e será milhares de vezes mais eficiente do que os motores químicos de foguetes - e não haverá produção de poluição. Neste artigo, veremos duas versões desse sistema avançado de propulsão - um deles poderá nos levar até a lua em apenas cinco horas e meia, e o outro poderá nos levar em uma viagem pelo sistema solar na "auto-estrada de luz".


Nave de luz propulsionada a laser

Foguetes propulsionados a luz lembram alguma coisa relativa à ficção científica - uma nave espacial que passeia no espaço sobre um feixe de laser, que precisa de pouco ou nenhum propelente a bordo e não cria poluição. Isso parece bastante artificial, considerando que não conseguimos desenvolver nada que chegasse perto disso na Terra para viagens convencionais, tanto terrestres quanto aéreas. Mas, mesmo que isso só vá acontecer dentro de 15 a 30 anos, os princípios por trás da nave de luz já foram testados com êxito várias vezes. Uma empresa chamada Lightcraft Technologies (em inglês) continua a refinar a pesquisa que começou no Rensselaer Polytechnic Institute em Troy, N.Y.

A idéia básica da nave de luz é simples: a nave usa espelhos para receber e focalizar o feixe de laser incidente para aquecer o ar, o qual explode para impelir a nave. Veja abaixo os componentes básicos desse revolucionário sistema de propulsão:
  • laser de dióxido de carbono - a Lightcraft Technologies usa um Sistema de Teste de Vulnerabilidade de Laser Pulsado (PLVTS), um descendente do programa de defesa "Guerra nas Estrelas". O laser pulsado de 10 kW usado para a nave de luz experimental está entre os mais poderosos do mundo.
  • espelho parabólico - o fundo da espaçonave é um espelho que focaliza o feixe do laser sobre o ar do motor ou propelente a bordo. Um espelho secundário parecido com um telescópio, com transmissor baseado em terra, é usado para direcionar o feixe do laser sobre a nave de luz.
  • câmara de absorção - o ar de entrada é direcionado para essa câmara, onde é aquecido pelo feixe, se expande e propulsiona a nave.
  • hidrogênio a bordo - uma pequena quantidade propelente de hidrogênio é necessária para empuxo do foguete quando a atmosfera é muito fina para fornecer ar suficiente.
Antes do lançamento, um jato de ar comprimido é usado para girar a nave de luz a aproximadamente 10.000 rotações por minuto (RPMs). O giro é necessário para estabilizar o artefato giroscopicamente. Imagine esta situação no futebol americano: o zagueiro aplica um giro na bola quando faz o arremesso, para ter um passe mais preciso. Quando o giro é aplicado a essa nave extremamente leve, ele faz que ela atravesse o ar com maior estabilidade.

Quando a nave de luz está girando a uma velocidade adequada, o laser é ligado, impulsionando a nave no ar. O laser de 10 kW pulsa a uma taxa de 25-28 vezes por segundo. Pulsando, o laser continua a empurrar a nave para cima. O feixe de luz é focalizado pelo espelho parabólico no fundo da nave de luz, aquecendo o ar entre 9.982 e 29.982ºC - várias vezes mais quente do que a superfície do Sol. Quando se aquece o ar a essas temperaturas altas, ele é convertido em um estado de plasma - esse plasma, então, explode para propulsionar a nave para cima.

A Lightcraft Technologies, Inc., com patrocínio do FINDS, e financiado pela NASA (em inglês) e pela Força Aérea Americana, testou um pequeno protótipo da nave várias vezes no lançador de mísseis White Sands, no Novo México. Em outubro de 2000, a nave de luz em miniatura, com diâmetro de 12,2 cm e pesando apenas 50 g, atingiu uma altitude de 71 m.

Essa nave de luz movida a laser poderia também usar espelhos, localizados na nave, para projetar um pouco da energia concentrada à frente da nave. O calor do feixe de laser criaria uma ponta de ar que desviaria algum ar atrás da nave, diminuindo assim o arrasto e reduzindo a quantidade de calor absorvida pela nave de luz.


Nave de luz propulsionada por microondas

Outro sistema de propulsão que está sendo considerado para uma classe diferente de naves de luz envolve o uso de microondas. A energia da microonda é mais barata que a do laser e torna mais fácil obter potências maiores, mas exige uma nave com diâmetro maior. As naves de luz a serem projetadas para esse tipo de propulsão se pareceriam mais com discos voadores (agora, estamos mesmo entrando no mundo da ficção científica). Essa tecnologia levará mais tempo para ser desenvolvida do que a nave de luz propelida a laser, mas poderá nos levar a planetas distantes. Os pesquisadores que a desenvolvem também visualizam milhares dessas naves movidas a luz, alimentadas por uma frota de estações de energia em órbita, que substituirão as viagens com linhas aéreas convencionais.

A nave de luz movida a microondas também utilizará uma fonte de energia não integrada à nave. Com o sistema de propulsão movido a laser, a fonte de energia fica baseada em terra. O sistema de propulsão a microondas contornará isso. A nave espacial propelida a microondas dependerá da energia fornecida por estações de energia solar em órbita. Em vez de ser propelida para longe de sua fonte de energia, a nave será atraída por ela.

Antes que essa nave possa voar, os cientistas terão que colocar em órbita uma estação de energia solar de 1 km de diâmetro. Leik Myrabo, que lidera as pesquisas sobre naves de luz, acredita que essa estação de energia poderia gerar até 20 gigawatts de potência. Orbitando a 500 km acima da Terra, essa estação de energia poderia fornecer energia de microondas para uma nave de luz em forma de disco de 20 m, capaz de transportar 12 pessoas. Milhões de pequenas antenas, cobrindo a parte de cima da nave, converteriam as microondas em eletricidade. Em apenas duas órbitas, a estação de energia seria capaz de acumular 1.800 gigajoules de energia e irradiar 4,3 gigawatts de potência para a nave fazer o passeio pela órbita.

A nave movida a microondas seria equipada com dois ímãs poderosos e três tipos de motores de propulsão. As células solares, cobrindo a parte superior da nave, seriam usadas por ela, no lançamento, para produzir eletricidade. A eletricidade, então, iria ionizar o ar e propelir a nave para pegar os passageiros. Uma vez lançada, a nave movida a microondas usaria seu refletor interno para aquecer o ar a sua volta e ultrapassar a barreira do som.

Quando atingisse uma altitude elevada, inclinaria de lado para atingir velocidades hipersônicas. Metade da potência da microonda poderia, então, ser refletida à frente da nave para aquecer o ar e criar uma ponta de ar, permitindo à nave atravessar o ar a até 25 vezes a velocidade do som e atingir a órbita. A velocidade máxima da nave chega a cerca de 50 vezes a velocidade do som. A outra metade da potência da microonda é convertida em eletricidade pelas antenas receptoras da nave, sendo usada para energizar seus dois motores eletromagnéticos. Esses motores, então, aceleram a pressão negativa ou o ar que flui em volta da nave. Acelerando a pressão negativa, a nave é capaz de cancelar qualquer ruído sônico, fazendo com que ela fique completamente silenciosa em velocidades supersônicas.



Fonte
http://ciencia.hsw.uol.com.br/propulsores-de-luz.htm

Um comentário:

Fernando Martin disse...

O mais fantastico post que vi até hoje no AC. Parabéns Sr. R.