A propulsão iônica, usada há décadas, é uma das formas mais eficientes de impulsionar sondas espaciais para explorar o espaço.
Funcionamento da propulsão iônica
Todo sistema de propulsão usa a Terceira Lei de Newton, uma força criada em uma direção produz uma força de igual intensidade no sentido oposto. Na propulsão iônica, íons são acelerados por um campo elétrico e a força causada pela aceleração dos íons cria uma força de reação, que impulsiona a sonda ou o satélite.
Câmara de ionização
Gás xenônio depositado em tanques é injetado dentro de uma câmara, um cátodo oco (electron gun), ligado a uma fonte com tensão e corrente elevadas, emite elétrons para a câmara de ionização, esses colidem com os átomos de xenônio e estes se tornam íons com carga positiva, ou seja, com falta de elétrons. Além de liberarem mais elétrons. Portanto, forma-se um plasma, o quarto estado da matéria, dentro da câmara.
No lado oposto do cátodo, há duas grades (grid) eletrificadas, mas de sinais opostos, a distância entre as grades é entre 1 e 2 mm. As grades formam um campo elétrico para lançar os íons positivos para fora da câmara, produzindo uma força de reação que move a sonda ou satélite.
Na parte externa, há um cátodo neutralizador, emite elétrons para tornar os átomos expelidos eletricamente neutros. Isto é necessário para que as cargas positivas expelidas não sejam atraídas pela grade negativa e pelos elétrons do motor e da nave, pois esta atração anularia a força de propulsão.
Aceleração de efeito Hall
Outro tipo de motor iônico acelera íons com a força de Lorentz (\vec{F}), que é a força eletrostática (q\vec{E}) mais a força magnética produzida pelo efeito Hall (q\vec{v}\times\vec{B}).
\vec{F}=q\vec{E}+q\vec{v}\times\vec{B}
Onde:
- q é a carga elétrica da partícula em Coulomb (C).
- \vec{E} é o vetor campo elétrico, cuja unidade é Newton/Coulomb (N/C).
- \vec{v} é o vetor velocidade da partícula.
- \vec{B} é o vetor densidade de fluxo magnético, em Tesla (T).
- Enquanto o \times é o produto vetorial, diferente da multiplicação escalar que vimos na escola.
Em um satélite ou sonda, painéis solares alimentam todo o sistema de propulsão iônica.
Por quê xenônio?
- É um gás nobre, por isto, é inerte e não reage com outros elementos.
- Permite um armazenamento mais compacto.
- É o gás nobre não radioativo mais pesado, portanto, permite maior impulso. Além disto, o fato de não ser radioativo elimina muitos potenciais problemas.
Propulsão iônica x propulsão química
A eficiência da propulsão iônica é muito maior que a da propulsão química, que lança os foguetes da Terra ao espaço. No entanto, a propulsão iônica tem uma aceleração muito pequena em relação à propulsão química. Mas, a longa distância e a ausência de atrito no espaço permitem grandes velocidades em um intervalo de tempo suficientemente longo.
