Químicos do Inpe criam combustível aeroespacial mais seguro
Um combustível alternativo para a propulsão de foguetes e motores de satélites, à base de etanol e etanolamina combinados com peróxido de hidrogênio, foi desenvolvido nos últimos três anos pelo Laboratório Associado de Combustão e Propulsão (LCP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), localizado em Cachoeira Paulista, cidade situada na região do Vale do Paraíba.
Fotos: Núcleo de Comunicação do Inpe
Teste do motor funcionando com o novo combustível, que usa nitrato de cobre como catalisador da reação
O trabalho foi o tema da tese de doutorado do pesquisador Leandro José Maschio, da Escola de Engenharia de Lorena, da USP, sob a orientação do Químico Industrial Ricardo Vieira, chefe do LCP/Inpe. Entrevistado pelo Informativo, o orientador relata que o laboratório já possuía experiência na utilização do peróxido de hidrogênio (conhecido popularmente como “água oxigenada”) como um elemento monopropelente para sistemas propulsivos de controle de altitude de satélites.
“Decidimos, então, nos embrenhar no desenvolvimento de motores maiores, tais como motores de apogeu (transferência de órbitas de satélites) ou de rolamento de foguetes. Iniciamos assim uma revisão bibliográfica sobre combustíveis alternativos. Tentamos reproduzir alguns combustíveis citados na literatura, mas eles não apresentavam um bom desempenho. A partir daí iniciamos estudos para aprimorar os combustíveis até então desenvolvidos”, explica Vieira.
O projeto foi financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e teve o apoio da empresa Peróxidos do Brasil, que forneceu peróxido de hidrogênio 70%, o qual é concentrado no laboratório até 90% em peso (porcentual utilizado para aplicações aeroespaciais). “O LCP/Inpe é o único laboratório no Brasil a concentrar peróxido de hidrogênio para fins espaciais”, ressalta Ricardo Vieira.
Composição – O combustível possui em sua base o etanol, a etanolamina e o nitrato de cobre (como catalisador). Para desenvolvê-lo, foram selecionados sais orgânicos e inorgânicos de metais de transição, principalmente cobre, manganês, ferro, cobalto, níquel e prata. Em seguida, foi estudada a formação de complexos com a etanolamina, que catalisam a decomposição do peróxido, aumentando abruptamente a temperatura do sistema e causando, consequentemente, a combustão dos componentes.
Após a escolha do nitrato de cobre como catalisador, foi estabelecido o teor ideal para que fosse obtida uma reação hipergólica no menor tempo de ignição possível. O Químico Ricardo Vieira lembra que a chamada “hipergolicidade” ocorre quando um combustível e um oxidante entram em combustão espontaneamente (quando em contato), sem a necessidade de uma fonte de ignição externa, como uma faísca ou uma chama piloto.
Novo propelente é estratégico, diz Vieira
A combustão espontânea ocorre depois da mistura do peróxido de hidrogênio com a etanolamina – esta complexada com o nitrato de cobre –, sendo que nessa etapa é adicionado um propagador de reação, o etanol. Os testes foram efetuados em bancada com auxílio de uma câmera de alta velocidade e obtiveram êxito. “Projetamos e fabricamos um propulsor de 50 N, empregando o nosso combustível e o peróxido de hidrogênio 90% como oxidante”, complementa Vieira.
Sustentabilidade – Atualmente, os propelentes mais empregados em motores de inserção e troca de órbitas de satélites são a monometilhidrazina, um derivado da hidrazina, e o tetróxido de nitrogênio. De acordo com o chefe do LCP/Inpe, ambos apresentam graves riscos à saúde humana, sendo que o primeiro é cancerígeno e o segundo é fatal após poucos minutos de exposição, mesmo a baixas concentrações no ar. Em contrapartida, os elementos utilizados no combustível alternativo (peróxido de hidrogênio, etanol e etanolamina) não são nocivos aos seres humanos e nem ao meio ambiente, apresentando resultados equivalentes em termos de propulsão e sendo seguros para manuseio.
O combustível encontra-se ainda em fase de concepção. Segundo Ricardo Vieira, foi comprovado que o par hipergólico peróxido de hidrogênio 90% x etanol/etanolamina é viável. “A Agência Espacial Brasileira (AEB) já demonstrou interesse em financiar o desenvolvimento e testes de um motor empregando esses propelentes. Aguardamos pela definição por parte da AEB das características do propulsor para elaborar um projeto em colaboração com a Universidade Federal do ABC”, relata o Químico Industrial. A previsão é de que esse processo ocorra ainda neste ano. Após esta fase, um protótipo qualificado ficaria pronto em um prazo de dois a três anos.
Para Vieira, a produção em maior escala é viável devido à disponibilidade do etanol e da etanolamina no mercado. Quanto ao peróxido de hidrogênio, o fornecimento seria garantido pela cooperação com a empresa Peróxidos do Brasil. Atualmente, o LCP/Inpe importa os propelentes tradicionais: enquanto a hidrazina possui um custo aproximado de R$ 700/kg, o tetróxido de nitrogênio chega a R$ 1.300/kg. Em escala laboratorial, o combustível à base de etanol/etanolamina tem um custo aproximado de R$ 35/kg, além dos R$ 15/kg referentes ao peróxido de hidrogênio.
“Levando em consideração que um satélite carregue mais de 100 kg de propelente, pode-se estimar a economia. Contudo, acredito que esta economia é irrisória no preço final de um satélite. Sendo assim, o emprego dos novos propelentes seria mais uma questão estratégica do que econômica, considerandose o uso em satélites ou em motores de rolamento de foguetes. Entretanto, se for levada em conta a aplicação em últimos estágios de foguetes lançadores, esta economia passa a ser bastante significativa”, conclui o chefe do LCP/Inpe.
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