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Uso de etanol em foguetes e satélites traz ganhos ambientais e econômicos

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Não é novidade que o etanol é um combustível limpo e que o Brasil é o seu maior produtor. Entretanto, este biocombustível pode ser também utilizado em satélites e foguetes, garantindo a sustentabilidade e ocupando uma função estratégica para o avanço do programa espacial brasileiro.

Recentemente, o Laboratório Associado de Combustão e Propulsão (LCP), do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), desenvolveu um combustível limpo, de menor custo e bom desempenho, que queima espontaneamente com o peróxido de hidrogênio, para ser empregado em propulsores ou motores-foguete.

De acordo com o chefe do LCP, Ricardo Vieira, a proposta é que o combustível seja utilizado em propulsores de posicionamento de satélites e em últimos estágios de foguetes lançadores, podendo ser acionado intermitentemente. O novo combustível é hipergólico com o peróxido de hidrogênio, ou seja, entram em combustão espontaneamente quando em contato um com o outro, sem a necessidade de faísca para iniciar a reação. O peróxido de hidrogênio foi o ponto de partida deste projeto devido à experiência já adquirida pelo LCP com o produto em outros tipos de propulsores. Como a maioria dos combustíveis não entra em combustão rapidamente com o peróxido de hidrogênio, foi necessário estudar a incorporação de um catalisador no combustível para acelerar a reação. A princípio, foi utilizada a etanolamina como combustível e sais de cobre como catalisadores. A partir daí, foi estudada a adição do etanol no combustível, o qual seria estrategicamente interessante. “A adição do etanol aumentou o desempenho do propulsor e reduziu o tempo de ignição da reação. Por exemplo: a etanolamina pura reage com o peróxido em aproximadamente 35 milissegundos, enquanto que, com adição de etanol, o tempo de ignição caiu para 13 milissegundos. Vale lembrar que quanto mais baixo este tempo, menor é o risco de explosão do sistema”, explica o pesquisador, que orientou o aluno de doutorado da Universidade de São Paulo (USP), Leandro José Maschio, para alcançar estes resultados. A pesquisa durou cerca de três anos, da concepção aos testes. Somente no início de 2017 foi possível colocar em funcionamento o propulsor. O protótipo foi testado em condições pré-estabelecidas de pressão de câmara (5 bar), vazão dos propelentes (35g/s) e empuxo (50 N). “Apesar de serem propelentes infinitamente mais baratos e menos nocivos do que aqueles tradicionalmente empregados na propulsão de satélites, nós estamos conscientes de que é muito difícil penetrar neste mercado, uma vez que os custos com propelentes são muito baixos em relação ao custo total de um satélite. Porém, temos avançado muito em relação à propulsão líquida no país”, diz Ricardo. A pesquisa foi totalmente financiada pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e os produtos estão sendo patenteados. Para o futuro, o grupo de pesquisa busca colaborações com a UFABC e com a Agência Espacial Brasileira para o desenvolvimento de propulsores em conjunto.

Comparativo

Atualmente, os propelentes mais empregados em propulsores para posicionamento de satélites são o tetróxido de nitrogênio (NTO), como oxidante, e a monometil hidrazina (MMH), como combustível. “A monometil hidrazina é um produto cancerígeno e está sendo importado pelo LCP a um custo aproximado de R$700 o quilograma. Já o tetróxido de nitrogênio é mortal se inalado em baixas concentrações e também está sendo importado a R$1.300 o quilo”, comenta Ricardo. O chefe do LCP continua: “o peróxido de hidrogênio (H2O2) está sendo fabricado em laboratório a um custo de R$15 o quilograma, enquanto o combustível à base de etanol-etanolamina custa em torno de R$35 o quilograma e, ainda, com a vantagem destes não serem nocivos à saúde”.

Também foram realizados cálculos comparando o desempenho do par hipergólico NTO/MMH com o do par H2O2/etanol-etanolamina, levando em consideração as mesmas condições de operação. Os resultados foram muito similares. Vale lembrar que a maior diferença entre estes pares hipergólicos é a segurança na manipulação e uso de propelentes facilmente produzidos no Brasil.

Motores-foguete

O professor da Universidade Federal do Paraná (UFPR), Carlos Henrique Marchi, doutor em Engenharia Mecânica, explica que os motores de foguetes são diferentes dos demais por vários motivos. Entre eles, não precisam do meio externo para funcionar (operam até mesmo no vácuo), por isso a necessidade de um combustível e um oxidante; a razão entre a força e o peso é maior do que nos demais tipos de motores; em geral, não têm partes móveis; podem funcionar com gases sem reação química, como um balão de ar, ou com propelente nos estados sólido, líquido ou híbrido.

Os propelentes sólidos podem ser fabricados a partir da pólvora negra, do nitrato de potássio com sacarose, do pó de alumínio com perclorato de amônia e polibutadieno, sendo este último empregado no VLS e nos motores auxiliares do ônibus espacial da NASA. Já os propelentes líquidos mais empregados são o hidrogênio e o oxigênio líquidos, a querosene e oxigênio, a mono-metil-hidrazina e o tetróxido de nitrogênio, etc.

Carlos Henrique Marchi comenta que a relação do Brasil com o estudo de foguetes já existe há alguns anos. “O Brasil soube desenvolver ótimos foguetes de sondagem desde os anos 1960 até hoje, conseguindo levar cargas úteis (instrumentos) de até 500 quilogramas a 700 quilômetros de altitude – todos com propelente sólido.” Os foguetes de sondagem podem atingir altitudes elevadas, mas não têm velocidade suficiente para colocar um satélite em órbita. “O Brasil ainda não tem capacidade de colocar satélites em órbita com foguetes próprios. É muito provável que não consiga isso nos próximos 10 anos, caso não ocorra uma mudança na política espacial brasileira”, acredita o professor.

Ana Flávia Marinho / Canal – Jornal da Bioenergia