domingo, 2 de setembro de 2012

Vela solar


Vela solar



Velas solares são um tipo de propulsão que utiliza pressão de radiação para
 gerar aceleração. Elas são feitas de grandes espelhos membranosos de 
pouca massa que ganham momento ao refletirem fótons. A pressão de 
radiação à distância da Terra ao Sol é de aproximadamente 10−5Pa[1] e é
 função inversa do quadrado da distância à fonte luminosa, se esta for
 pontual. Mesmo gerando aceleração de valor muito pequeno, velas solares 
são capazes de gerar aceleração constante por longos períodos e não 
requerem massa de reação, que geralmente totaliza uma fração significante da massa das espaçonaves que 
utilizam-na atualmente, possibilitando assim aumentar a carga útil da espaçonave e atingir grande velocidade. 
Várias tecnologias foram teorizadas a partir de velas solares de com usos para pequenas alterações de órbitas 
de satélites a propulsão de veículos espaciais para viagem interestelar.
Os conceitos científicos que embasam a tecnologia de velas solares são bem aceitos e difundidos, porém a 
tecnologia necessária para a construção viável de velas solares está em desenvolvimento, e missões espaciais 
baseadas em velas solares partindo de grandes agências ainda não foram executadas. Em 2005, em resposta à 
falta de interesse governamental, a organização Sociedade Planetária, movida por entusiastas, lançaria a 
espaçonave Cosmos 1, com propulsão baseada na tecnologia. Porém, o projeto fracassou pois houve uma falha 
no foguete que iria lançar a espaçonave de um Submarino, noMar de Barents.
O conceito da tecnologia data desde o século XVII, com Johannes Kepler. Friedrich Zander na década de 1920 
novamente propôs esse tipo de tecnologia, que tem sido gradualmente refinada. O intenso interesse recente de 
estudos científicos começou com um artigo do engenheiro e autor de ficção científica Robert L. Forward em 1984.

[editar]Princípio

Posiciona-se um grande espelho membranoso que reflete a luz do Sol ou de 
outra fonte luminosa. A pressão de radiação gera uma pequena quantidade de
 impulsão ao refletir fótons. Inclinando a superfície reflexiva em certos ângulos 
para a fonte luminosa, gera-se propulsão em direção normal à superfície. Ajustes
 nos ângulos das velas podem ser feitos com a ajuda de pequenos motores 
elétricos, para que a vela se incline e possa gerar propulsão na direção 
desejada.
Teoricamente, também seria possível gerar aceleração em direção à fonte luminosa, contrariando o senso comum,
 ao desacoplar parte da vela e utilizá-la para concentrar luz numa face reflexiva oposta à fonte de luz.

Trajetória otimizada proposta
Os métodos mais eficientes para utilizar velas solares envolvem 
manobras em direção à fonte de luz, onde a luz é mais intensa.
 Em meados da década de 1990 foi proposto um método que 
permite que uma espaçonave equipada com velas solares atinja 
velocidades de cruzeiro capazes de escapar do sistema solar a
 velocidades muito maiores do que as atingidas por outros 
métodos de propulsão avançados, como propulsão nuclear. 
Demonstrado matematicamente, esse modo de velejar foi 
considerado como uma das opções para viagens interestelares futuras pela NASA.

[editar]Confusão

Existe um mal-entendido que velas solares são movidas pelo 
vento solar, ou por partículas carregadas de alta energia do Sol. 
De fato, tais partículas gerariam impulso ao atingirem velas solares, porém esse efeito é pequeno comparado ao 
da pressão de radiação da luz: a força da pressão de radiação é cerca de 5000 vezes maior do que aquela gerada
 pelo vento solar. Existem modelos propostos que se utilizariam do vento solar, porém precisariam ser muito 
maiores do que velas solares convencionais.
Outros também teorizam que o princípio das velas solares violaria o princípio da conservação de energia
Esse não é o caso, já que os fótons perdem energia ao atingir os espelhos de uma vela solar ao passarem por 
desvio Doppler: seu o comprimento de onda aumenta, diminuindo sua energia, em função da velocidade da vela - 
uma transferência de energia dos fótons solares para a vela. A energia adquirida soma momento à vela.

[editar]Usos

Atualmente, painéis de controle de temperatura, coletores solares e outras partes móveis são utilizados ocasionalmente como velas solares improvisadas, para ajudar espaçonaves comuns a fazer pequenas correções ou modificações na órbita sem utilizar combustível.
Algumas até tiveram pequenas velas construídas propositalmente para esse uso. Satélites Eurostar da EADS 
Astrium utilizam velas solares ligadas a seus painéis solares para realizar tarefas de ajuste de momento angular,
 economizando conmbustível (esses satélites acumulam momento angular através do tempo como giroscópios e
 são utilizados para controlar a altitude da espaçonave). Algumas espaçonaves não tripuladas, como a Mariner 10, 
utilizaram velas solares para estender sua vida útil.
Robert L. Forward mostrou que uma vela solar poderia ser utilizada para manipular a órbita de um satélite. 
Velas solares poderiam, no limite, ser utilizadas para manter um satélite sobre um pólo da Terra. Espaçonaves 
com velas solares também poderiam ser posicionadas em órbitas próximas ao Sol que seriam estacionárias tanto
 em relação com a Terra ou com o Sol, que Forward nomeou de 'satatite', em referência à estaticidade relativa da 
espaçonave. Isso seria possível pois a propulsão gerada pela vela cancela o potencial gravitacional do Sol.
 Uma dessas órbitas poderia ser útil para estudar as propriedades do Sol por longos períodos: uma dessas 
espaçonaves poderia teoricamente ser posicionada diretamente acima de um pólo do Sol e permanecer naquela 
posição por períodos prolongados.
Forward também propôs o uso de lasers para impulsionar velas solares. Um feixe suficiente poderoso expondo 
uma vela solar por tempo suficiente poderia acelerar uma espaçonave até uma fração significante da velocidade da 
luz. Essa tecnologia, porém, iria requerir lasers incrivelmente poderosos, lentes ou espelhos gigantescos.

Motor de Magnetoplasma de Impulso Específico Variável


Motor de Magnetoplasma de Impulso Específico Variável



Motor de Magnetoplasma de Impulso Específico Variável, ou VASIMR, é o
Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, que como o seu nome indica constitui um sistema
 propulsor para veículos espaciais inovador que é actualmente objecto de estudo por parte da NASA. Este sistema
 faz uso de ondas rádio para ionizar o propelente e campos magnéticos para acelerar o plasma resultante 
destaionização para gerar impulso.
O método de adição de calor ao plasma utilizado no VASIMR foi originalmente desenvolvido com resultado dos 
estudos sobre fusão nuclear. Esta ideia foi primeiramente desenvolvida pelo cientista e astronauta costa-riquenho 
Franklin Chang-Diaz, sendo que o seu desenvolvimento teve início em 1979. O combustível é guardado numa 
cavidade, onde por força dum campo magnético que lhe é aplicado, este não entra em contacto com as paredes 
do mesmo, uma vez que doutro modo seria impossível armazenar um composto a temperaturas tão elevadas 
como as dum plasma. O sistema em questão possui tipicamente três estádios; numa primeira fase ao 
combustível (já no estado gasoso) são adicionadas grandes quantidades de energia na forma de calor para que 
este sofra a ionização pretendida convertendo-se em plasma; seguidamente são-lhe aplicadas ondas rádio num 
outro compartimento que actuam como amplificador para conferir ao plasma a energia e a temperatura desejadas; 
numa terceira fase o plasma é a acelerado magneticamente e finalmente dá-se a saída deste sendo que as
 grandes velocidades de escape se traduzem em impulso útil e movimento da aeronave em questão.

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Desempenho

Prevê-se que as actuais versões do VASIMR seriam capazes de atingir impulsos específicos da ordem dos 3000 
a 30000 segundos(velocidades da ordem dos 10 aos 300 km/s). Contudo, uma das maiores vantagens desta 
tecnologia é a sua versatilidade, sendo possível controlar o seu impulso específico. Este Impulso específico 
variável proporciona a optimização das trajectórias, uma vez que permite dois regimes consoante a operação em 
questão, um de maior impulso para escapar às órbitas planetárias e um outro que aposta numa maior eficiência 
para voos de cruzeiro interplanetários, ou seja, com esta nova tecnologia é possível optimizar as missões que se 
pretendem levar a cabo, dado que esta se adapta às diferentes condicionantes das mesmas

[editar]Vantagens

  • Maior Flexibilidade
    • Maior capacidade de carga
    • Viagens mais rápidas
    • Optimização das trajectórias
  • Propelente possível: Hidrogénio
  • Motor mais fiável


[editar]Desvantagens

  • Inoperância na presença de Campos Magnéticos
  • Necessidade de grandes quantidades de energia para produzir o plasma
    • Utilização de um gerador nuclear para o efeito

[editar]Aplicações


O VASIMR não é adequado para o lançamento de carga a partir da Terra devido ao seu baixo rácio de impulso por 
peso e da sua necessidade de presença de vácuo para operar. De facto esta tecnologia estará vocacionada para
 os estágios seguintes de voo espacial, reduzindo significativamente as necessidades de combustível. É esperado
 que este novo propulsor concretize as seguintes funções:
  • Correcção Orbital das Estações Espaciais
  • Transporte de carga para a Lua
  • Possibilidade de reabastecimento no espaço
  • Recolha de recursos no espaço
  • Transporte rápido a ser utilizado em missões espaciais de longo curso
Entre outras possíveis aplicações para esta tecnologia tal como o transporte rápido para Marte requer uma 
elevadíssima potência, com um baixo rácio massa – energia, tal como a energia nuclear.

[editar]Estágio de Desenvolvimento

Esta tecnologia tem sido desenvolvida, testada aperfeiçoada pela empresa Ad Astra Rocket Company.
Actualmente os esforços têm-se focado na melhoria da eficiência do processo. A primeira versão desta 
tecnologia que será testada no espaço será o VF-200, que deverá ser lançado para o espaço em 2010.

Arcjet rocket - Propulsão Eletrotérmica


Arcjet rocket - Propulsão Eletrotérmica

Arcjet rocket é uma forma simples, e confiável de propulsão eletrotérmica utilizado de forma a fornecer curtos
 impulsos de baixo poder, que é a principal necessidade um satélite artificial.
Um combustível não inflamável é aquecido e muda do estado líquido para o estado gasoso, através de uma faísca
 elétrica em uma câmara. Este passa pela garganta do bocal e é acelerado e expelido em velocidade relativamente
alta para uma maior propulsão.
Os Arcjets podem utilizar a potência elétrica de painéis solares ou de baterias, e também, de uma variedade de 
propulsores. Ahidrazina é o propulsor o mais popular, porque pode também ser usado em um motor químico na 
mesma nave espacial de modo a fornecer a potencialidade da pressão de elevação ou agir como um apoio ao arcjet.

Propulsão Alcubierre


Propulsão Alcubierre



Propulsão de Alcubierre (ou Dobra Espacial) é um modelo matemático teórico para uma forma de viagem 
espacial mais rápida que a luz, utilizada na série de ficção científica Jornada nas Estrelas.
Em 1994, o físico mexicano Miguel Alcubierre propôs um método de alongamento do espaço em uma onda que, 
em teoria, poderia fazer com que o tecido do espaço à frente de uma nave espacial se contraia, enquanto que o 
tecido que está atrás da nave se expanda.[1]A nave se deslocaria surfando esta onda dentro de uma região 
conhecida como bolha de dobra, onde as características normais do tecido espaço-tempo se manteriam 
inalteradas. Uma vez que a nave não estaria se movendo dentro desta bolha, mas transportada junto com ela, os 
efeitos de dilatação do tempo previstos pela Teoria da Relatividade Especial não se aplicariam à nave, mesmo 
com a altíssima velocidade de deslocamento em relação ao espaço normal em volta da nave. Além disso, esse 
método de viagem não implica realmente em se deslocar mais rápido que a luz, uma vez que no interior da bolha, 
a luz continuaria a ser mais rápida que a nave.
Assim, a Propulsão Alcubierre não contradiz a alegação tradicional da relatividade que proíbe que um objeto com 
massa seja mais rápido que a luz. No entanto, não se conhecem métodos para criar uma bolha de dobra em uma
 região do espaço, ou de deixar a bolha, uma vez lá dentro, de modo a Propulsão Alcubierre continua a ser um 
conceito teórico.

[editar]

Medida Alcubierre

A Medida Alcubierre define a chamada propulsão de dobra espacial. Esta é um tubo de Lorentzian que, se 
interpretada no contexto darelatividade geral, apresenta características parecidas com a 
dobra espacial de Jornada nas Estrelas: uma bolha de dobra aparece no anteriormente plano tecido do
 espaço-tempo e se move a velocidade superluminal de forma efetiva. Os habitantes da bolha não sentem efeitos 
inerciais. Os objetos dentro da bolha não viajam (localmente) mais rápida do que a luz, em vez disso, o espaço à 
sua volta se move para que os objetos cheguem ao seu destino mais rápido do a luz viajaria, caso a viagem se
 fizesse em espaço normal.

Alcubierre escolheu uma forma específica para a função f, mas outras formas podem exibir de forma mais clara e 
simples os efeitos da Propulsão de Dobra.

[editar]Matemática por trás da Propulsão Alcubierre

Utilizando o formalismo 3+1 da relatividade geral, o espaço-tempo é descrito por uma foliação de uma 
hipersuperfície com coordenada de tempo t constante. A forma geral da Medida de Alcubierre é:
ds^2 = -\left(\alpha^2- \beta_i \beta^i\right)\,dt^2+2 \beta_i \,dx^i\, dt+ \gamma_{ij}\,dx^i\,dx^j
onde \alpha é a função que dá o intervalo de tempo adequado entre hipersuperfícies próximas, \beta^i é o vetor que 
relaciona o deslocamento espacial em diferentes sistemas de coordenadas e hipersuperfícies e \gamma_{ij} é uma 
métrica positiva definida em cada uma das hipersuperfícies. A forma particular do estudo de Alcubierre[1] é
 definida da seguinte forma:
\alpha=1\,
\beta^x=-v_s(t)f\left(r_s(t)\right),
\beta^y = \beta^z =0 \,\!
\gamma_{ij}=\delta_{ij} \,\!
onde
v_s(t)=\frac{dx_s(t)}{dt},
r_s(t)=\sqrt{(x-x_s(t))^2+y^2+z^2}
e
f(r_s)=\frac{\tanh(\sigma (r_s + R))-\tanh(\sigma (r_s - R))}{2 \tanh(\sigma R)}
com R > 0 e \sigma > 0 são parametros arbritários. Dessa forma, o formato específico da medida de 
Alcubierre pode ser escrita da seguinte forma:
ds^2 =  \left(v_s(t)^2 f(r_s(t))^2 -1\right)\,dt^2 - 2v_s(t)f(r_s(t))\,dx\,dt +dx^2 + dy^2 + dz^2
Com esta forma particular da medida, é possível provar que a densidade energética medida por observadores 
cuja velocidade é a normal à das hipersuperfícies é dada por
-\frac{c^4}{8 \pi G} \frac{v_s^2 (x^2+y^2)}{4 g^2 r_s ^2} \left(\frac{df}{dr_s}\right)^2
onde g é o determinante para a medida tensor. Assim, como a densidade de energia necessária é negativa, é 
necessário um tipo dematéria exótica para que a viagem mais rápida que a luz possa ser alcançada.[1]
 A existência de matéria exótica não é teoricamente excluída, o efeito Casimir e a aceleração do Universo são 
indícios que apoiam a existência de tal tipo de matéria.
De qualquer forma, tudo indica que a geração e a sustentação da quantidade necessária de matéria exótica para 
esse tipo de viagem mais rápido que a luz é impraticável.
Alguns tem argumentado que, no contexto da relatividade geral, seria impossível construir um motor de dobra 
espacial sem que seja utilizada alguma matéria exótica.[3] Geralmente acredita-se que uma
 teoria quântica da gravidade poderá resolver esse problema.

[editar]Física da Propulsão Alcubierre

Para aqueles familiarizados com os efeitos da relatividade especial, tal como a dilatação do tempo, a métrica 
Alcubierre aparentemente tem alguns aspectos peculiares. Em particular, Alcubierre demonstrou que, mesmo 
quando a nave espacial está acelerando, ela viaja em queda livre. Em outras palavras, uma nave usando a dobra 
para acelerar e desacelerar estará sempre em queda livre, e a tripulação não teria nenhuma sensação de 
aceleração. Enormes forças gravitacionais estarão presentes junto à fronteira da bolha de dobra, devido à grande 
curvatura do espaço lá, mas de acordo com a especificação da medida, estas seriam muito pequenas dentro do 
volume ocupado pela nave.
A forma original da teoria de dobra, e as variações mais simples dela, foram escritas com o formalismo de 
Arnowitt, Deser e Misner, que é frequentemente utilizado em discutir a forma inicial da relatividade geral
Isto pode explicar o equívoco generalizado de que este espaço-tempo é uma solução da equação de campo 
relatividade geral. Métricas escritas dentro do formalismo ADM são adaptadas a uma determinada família de 
observadores inerciais, mas os observadores não são fisicamente distinguíveis das outras famílias. Alcubierre 
interpretou esta "bolha de dobra" em termos de contração do espaço à frente da bolha e expansão atrás. Mas 
essa interpretação pode ser ilusória,[4] uma vez que a contração e expansão atualmente se referem ao movimento 
relativo próximo de observadores do tipo da família ADM.
Na relatividade geral, primeiramente se especifica uma distribuição de matéria e energia de forma plausível, e em 
seguida se verifica a geometria do espaço-tempo associado. Mas também é possível solucionar as equaçõs de 
campo de Einstein na outra direção: primeiro especificando uma medida e, em seguida, encontrando um tensor 
associado a ela. Foi isso que Alcubierre fez. Esta forma significa que a solução pode violar diversas condições 
de energia e requerer matéria exótica. A necessidade de matéria exótica leva à questão de se é realmente 
possível encontrar uma forma de ditribuir a matéria em um espaço-tempo inicial onde não exista uma "bolha de 
dobra", de forma a criar essa bolha posteriormente. Mas ainda existe outro problema, de acordo com
 Serguei Krasnikov,[5] pode ser impossível criar a bolha sem que se force a matéria exótica a se mover mais
 rápido que a luz, o que implicaria na existência detáquions. Alguns métodos têm sido sugeridos para evitar o 
problema da movimento taquiônico, mas provavelmente iriam gerar uma singularidade nua na frente da bolha.[6][7]

[editar]Dificuldades

[editar]Construindo o caminho

Krasnikov propôs que, se a matéria taquiônica não puder ser encontrada ou usada, então uma solução poderia ser
 a disponibilizar grandes massas ao longo do trajeto da nave a ser posta em movimento de forma que o campo 
requerido seja produzido. Mas neste caso, a nave com propulsão Alcubierre não seria capaz de se deslocar à
 vontade pela galáxia. Ele só seria capaz de percorrer caminhos que, como uma estrada de ferro, teriam sido 
construídos com as infra-estruturas necessárias.
O piloto dentro da bolha é desconectado de suas paredes e não pode realizar qualquer ação fora da bolha. 
No entanto, seria necessário colocar os dispositivos ao longo da rota com antecedência e, uma vez que o piloto
 não pode fazer isso ao mesmo tempo em que viaja, as bolhas não podem ser utilizados para a primeira viagem 
a uma estrela distante. Em outras palavras, para viajar para a estrela Vega (que dista 26 anos-luz da Terra) 
primeiramente tem-se de organizar tudo para que se possa utilizar uma bolha que se desloque com velocidade 
superluminal. A primeira viagem levaria mais de 26 anos, já que não seria possível fazer essa viagem a uma 
velocidade superluminal .[5]

[editar]É preciso um para construir uma

Coule tem argumentado que esquemas como o proposto por Alcubierre não são viáveis, pois a matéria a ser 
colocada na estrada tem de ser previamente colocados à velocidade superluminal. Assim, de acordo com Coule, 
uma propulsão Alcubierre é necessária a fim de construir uma propulsão Alcubierre. Uma vez que já é provado que
 não existe nenhum, então a propulsão é impossível de construir, mesmo que a medida seja fisicamente 
significativa. Coule argumenta que uma objeção análoga será aplicável a qualquer proposta de método de 
construção de uma unidade Alcubierre.[7]

Foguete monopropulsor


Foguete monopropulsor

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.
Foguete Monopropulsor (também chamado de Foguete Monopropelente) é um tipo de foguete que utiliza como 
propelente substâncias químicas especiais que, quando devidamente estimuladas, se decompõem em combustível e
 oxidante. Ao se recombinarem, ambos queimam e geram o impulso do foguete.
Como esse tipo de foguete utiliza apenas um propulsor, são considerados muito simples e confiáveis, mas não muito
 eficientes. São utilizados principalmente para fazer pequenas correções de curso, como por exemplo 
Normalmente, a decomposição do propelente é feita em uma câmara que utiliza como catalisador um tipo de esponja
 feita de prata ouplatina, e o propelente mais comumente utilizado é a Hidrazina (N2H4), que é uma substância 
química caracterizada por ter forteredução.
O catalisador mais comum é um composto de alumina granular revestido com irídio (por exemplo, 
S-405 ou KC 12 GA). A decomposição é altamente exotérmica e produz como resultado uma mistura de 
nitrogêniohidrogênio e amônia, chegando a produzir temperaturas por volta de 1.000 °C.
Outro propelente utilizado é o peróxido de hidrogênio, que quando purificado a 90% ou mais, se auto-decompõe 
em altas temperaturas, ou quando um catalisador está presente.
A maioria dos sistemas de foguete monopropulsores consistem em um tanque de combustível, normalmente 
uma esfera de titânio oualumínio, cheio com o propelente. O tanque é pressurizado com hélio ou nitrogênio, que
 impulsiona o combustível para os motores. Normalmente, um satélite deverá possuir vários pequenos motores,
 para permitir o controle de atitude.