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Uma das demonstrações mais marcantes do poder da química é a exploração espacial. Desde as primeiras missões não tripuladas, no final da década de 1950, até o programa do ônibus espacial e agora a Artemis, as inovações nas tecnologias de combustíveis e motores de foguetes continuam ampliando o alcance, a capacidade e a sustentabilidade da exploração espacial, uma demonstração em tempo real de como a química alimenta este campo.
Combustível otimizado para foguetes é fundamental para o sucesso da missão
Os foguetes dependem de várias combinações de combustível e oxidantes para gerar a tremenda energia necessária para superar a gravidade da Terra. Os oxidantes e os combustíveis são elementos estáveis em temperatura ambiente, mas, quando misturados e acionados por uma fonte de calor, criam uma reação explosiva que fornece empuxo para o foguete.
O ajuste da proporção entre combustível e oxidante permite aos engenheiros controlarem vários aspectos do desempenho do foguete. Cada combinação fornece um conjunto único de características, benefícios e inconvenientes, impactando medidas de desempenho como eficiência de empuxo, além de outras ponderações como toxicidade, custo e segurança. Assim, escolher o melhor pacote de propelente para cada viagem é uma decisão crítica que depende de muitas variáveis relacionadas à missão do foguete.
Os propelentes gasosos, por exemplo, são impraticáveis para a maioria dos foguetes de longa distância devido ao grande volume que seria necessário, mas a compressão e o resfriamento dessas substâncias na fase líquida correspondente fornecem uma relação volume-potência ideal para aplicações em foguetes de grande alcance. Alguns propelentes, no entanto, têm pontos de ebulição extremamente baixos e requerem resfriamento criogênico em temperaturas abaixo de –150 °C (–238 °F) para se liquefazerem. Isso pode ser uma desvantagem significativa no uso destes combustíveis para propulsão de foguetes, portanto, os benefícios devem superar os custos e desafios deste requisito de uma missão específica para justificar a sua escolha.
Duas importantes características de desempenho dos propelentes, que às vezes são confundidas, são o empuxo e o impulso específico. O empuxo mede o potencial da força de reação do propelente ou a quantidade de peso que o foguete conseguirá levantar. O impulso específico (Isp) define a eficiência com que um propelente pode converter sua massa em empuxo, com base no tempo que uma determinada quantidade de propelente pode empurrar uma carga. Os motores que usam propelentes com impulso específico alto tendem a ter menor empuxo, mas usam a massa do propelente de maneira mais eficiente. Em suma, consomem menos combustível.
A Tabela 1 compara as principais propriedades dos pacotes comuns de combustível para foguetes. O motor RS-25 empregado pelo foguete Artemis Space Launch System (SLS) da NASA usa o pacote de propelente LOX/LH2. No entanto, os foguetes que estão em desenvolvimento por algumas organizações comerciais, inclusive o Raptor da SpaceX e o BE-4 da Blue Origin, são movidos pelo pacote Metano Líquido/LOX.
Entre os propelentes de foguetes modernos, o LOX/LH2 apresenta o maior valor de Isp. Essa eficiência e um histórico de confiabilidade são as principais razões pelas quais o pacote LOX/LH2 é o propelente de foguete mais usado nas últimas cinco décadas, apesar de ambos os átomos exigirem resfriamento criogênico. Além disso, embora outros propelentes liberem grandes quantidades de produtos químicos poluentes e gases de efeito estufa após a combustão, o principal subproduto produzido pela combustão do LOX/LH2 é a água, tornando-o um combustível mais sustentável.
Observação *RP-1 (Propelente de foguete-1) é uma forma altamente refinada de querosene e é amplamente utilizada em motores de foguetes líquidos (ou seja, o motor de foguete Saturn V).
Química de reação radical de foguetes LOX/LH2
O hidrogênio e o oxigênio são elementos estáveis que não reagem espontaneamente quando misturados em temperatura ambiente. Para que uma reação ocorra, as ligações covalentes H–H e O=O precisam ser quebradas. Quando é fornecida energia suficiente para superar a energia de ligação H–H e O=O, ocorrerá uma reação em cadeia até que a água seja formada. Esta reação em direção à estrutura estável da água libera grandes quantidades de energia durante a combustão de H2 com O2.
Apesar da aparente simplicidade desta reação, a combustão de H2 com O2 é complexa e envolve diversas reações intermediárias com radicais H e O. As principais reações que levam à formação de água estão listadas na Figura 1. As reações de ramificação de cadeia ocorrem quando um radical gera dois ou mais radicais (Figura 1, reações 3 e 4). Como estas reações produzem mais radicais reativos que consomem, elas aceleram, explicando a natureza explosiva da reação.
Essas reações radicais nem sempre acontecem na ordem exata apresentada na Figura 1, e outros radicais não mencionados aqui podem ser formados através de outros esquemas de reação em cadeia. A mistura do propelente, a pressão e a temperatura também influenciam os mecanismos cinéticos de combustão do H2.
Avanços no design do motor para alimentar a Artemis
Além da otimização do combustível, o projeto do motor é igualmente crítico para maximizar a potência dos foguetes modernos. Os projetos atuais de motores de foguete aproveitam inovações fundamentais desenvolvidas durante o programa de foguetes V-2 da Alemanha na Segunda Guerra Mundial. A disponibilidade de novos materiais e outras inovações tecnológicas permitiram que os engenheiros aperfeiçoassem nestes projetos para aumentar a potência, a durabilidade, a confiabilidade e a eficiência necessárias para alimentar as missões espaciais modernas.
Projetado na década de 1970 pela Aerojet Rocketdyne, o motor RS-25 foi originalmente desenvolvido e usado nas missões do ônibus espacial da NASA. Depois de cinco gerações de inovação, os RS-25 que alimentam o foguete SLS da Artemis são motores criogênicos sofisticados que incorporam décadas de avanços tecnológicos e otimizações de design, que os tornaram alguns dos motores de foguete mais eficientes e potentes já produzidos.
Para criar um empuxo poderoso e consistente, os motores de foguete precisam ser alimentados com um grande volume de propulsor líquido de alta velocidade pela turbobomba. A primeira versão da turbobomba (Figura 2) foi desenvolvida pelos engenheiros do V-2 na década de 1940. Foi revolucionária no design e no desempenho, com uma turbina a vapor girando a 4.000 rpm para acionar bombas centrífugas tanto para o combustível quanto para o oxidante. Mais de 60 anos depois, a turbobomba moderna ainda é um dos componentes mais críticos e complexos, responsável pelo desempenho dos motores de foguete modernos.
Evolução da propulsão de foguetes tripulados nos EUA
Os motores RS-25 do foguete Artemis utilizam o pacote de propelente criogênico LOX/LH2 com base no impulso específico superior. No entanto, uma diferença significativa entre as taxas de densidade e vazão do LH2 e do LOX impede que o RS-25 opere com uma única turbobomba. A densidade do hidrogénio é extremamente baixa (71 g/L), o que significa que será necessário 2,7 vezes mais LH2 para corresponder proporcionalmente à quantidade de LOX para ocorrer uma combustão eficiente. Para acomodar esses líquidos criogênicos muito diferentes e suas propriedades físicas, o RS-25 utiliza duas turbobombas separadas.
Essas modernas turbobombas de alta pressão são proezas da engenharia. Suas turbinas contêm dezenas de pás que têm apenas o tamanho de uma moeda de um quarto de dólar. Girando entre 28.000 e 35.000 rpm, cada pá fornece mais potência que um motor de Corvette, permitindo que essas turbobombas gerem dezenas de milhares de cavalos de potência.
Aspirações espaciais que impulsionam a inovação em todos os setores
As tecnologias de combustível e motores de foguetes são áreas óbvias de inovação impulsionadas pelo programa espacial. No entanto, o foco atual na volta dos humanos à Lua e, por fim, na chegada a Marte também serve como catalisador para acelerar novas pesquisas em uma vasta gama de indústrias, inclusive na medicina, ciência dos materiais, comunicações, eletrônicos e até a agricultura. Muitas dessas inovações, além de viabilizarem missões espaciais, geram melhorias em produtos que beneficiam também a todos nós aqui na Terra.
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