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May 18, 2023

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Nature volume 599, páginas 411–415 (2021)Cite este artigo 43k Acessos 36 Citações 393 Detalhes de métricas altmétricas A propulsão é um subsistema crítico de muitas espaçonaves1,2,3,4. Para propelente eficiente

Nature volume 599, páginas 411–415 (2021)Cite este artigo

43 mil acessos

36 citações

393 Altmétrico

Detalhes das métricas

A propulsão é um subsistema crítico de muitas naves espaciais1,2,3,4. Para o uso eficiente do propulsor, os sistemas de propulsão elétrica baseados na aceleração eletrostática de íons formados durante a ionização por impacto de elétrons de um gás são particularmente atraentes . Actualmente, o xénon é utilizado quase exclusivamente como propulsor ionizável para propulsão espacial2,3,4,5. Contudo, o xenônio é raro, deve ser armazenado sob alta pressão e a produção comercial é cara7,8,9. Aqui demonstramos um sistema de propulsão que utiliza propelente de iodo e apresentamos os resultados em órbita desta nova tecnologia. O iodo diatômico é armazenado na forma sólida e sublimado em baixas temperaturas. Um plasma é então produzido com uma antena indutiva de radiofrequência e mostramos que a eficiência de ionização é melhorada em comparação com o xenônio. Os íons de iodo atômicos e moleculares são acelerados por grades de alta tensão para gerar impulso, e um feixe altamente colimado pode ser produzido com dissociação substancial de iodo. O sistema de propulsão foi operado com sucesso no espaço a bordo de um pequeno satélite com manobras confirmadas através de dados de rastreamento de satélite. Prevemos que estes resultados irão acelerar a adoção de propulsores alternativos na indústria espacial e demonstrar o potencial do iodo para uma ampla gama de missões espaciais. Por exemplo, o iodo permite uma miniaturização e simplificação substanciais do sistema, o que proporciona aos pequenos satélites e constelações de satélites novas capacidades de implantação, prevenção de colisões, eliminação em fim de vida e exploração espacial10,11,12,13,14.

As naves espaciais requerem propulsão para realizar manobras no espaço, tais como transferências de órbita, evitar colisões, manutenção de órbita para compensar perturbações aerodinâmicas ou gravitacionais e eliminação em fim de vida1. A escolha da tecnologia de propulsão, em particular a velocidade de escape, determina a massa propulsora necessária. A propulsão elétrica5,15 utiliza energia elétrica para acelerar um propelente (através de campos elétricos e/ou magnéticos) e pode atingir velocidades de exaustão que são uma ordem de grandeza maiores que a propulsão química (que utiliza energia de reações químicas para acelerar o propelente). Alguns dos sistemas de propulsão elétrica mais bem-sucedidos incluem propulsores de íons em grade e Hall5, que criam um plasma por meio da ionização por impacto de elétrons de um gás6 e aceleram íons eletrostaticamente para gerar impulso. Além de serem usados ​​por muitos satélites comerciais que orbitam a Terra, esses sistemas de propulsão também são usados ​​para exploração espacial. Os exemplos incluem a missão SMART-1 da Agência Espacial Europeia para a Lua2, a missão Dawn da NASA que estudou os protoplanetas Ceres e Vesta no cinturão de asteróides entre Marte e Júpiter16, e as missões de retorno de amostras Hayabusa1 e Hayabusa2 da Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial para o próximo Asteróides terrestres 25143 Itokawa17 e 162173 Ryugu18.

Como as naves espaciais têm potência limitada, os sistemas de propulsão eléctrica devem maximizar a sua relação impulso-potência, o que para aceleradores electrostáticos requer um propulsor com um baixo limiar de ionização e uma elevada massa atómica5. Actualmente, o propulsor de eleição é o xénon. Contudo, o xénon é muito raro (menos de uma parte por dez milhões na atmosfera) e a produção comercial é dispendiosa e limitada7,8,9. Existem também aplicações concorrentes que utilizam xenônio, incluindo iluminação e imagem, anestésicos em hospitais9,19 e gravação na indústria de semicondutores20. Com o surgimento de megaconstelações de satélites21,22,23, a procura de xénon poderá ultrapassar a oferta nos próximos dez anos. Uma outra desvantagem é que o xénon tem de ser armazenado a pressões muito elevadas (normalmente 10–20 MPa), o que requer equipamento de carregamento especializado e pessoal treinado, tornando-o incompatível com o paradigma do “novo espaço”. Para a sustentabilidade a longo prazo da indústria espacial, é fundamental que seja encontrado um propulsor substituto.