A Terra é o planeta errado para sustentar uma espécie interessada em explorar o espaço. A gravidade alta demais e a atmosfera densa demais são uma combinação que dá dores de cabeça em todos os engenheiros aeroespaciais encarregados de colocar coisas e pessoas no espaço.

Os foguetes que funcionam bem aqui teriam potência de sobra se fossem lançados de outros lugares do Sistema Solar, como a Lua ou Marte. Mas, como somos teimosos, achamos alguns jeitinhos de usar a física ao nosso favor e chegar em lugares jamais pensados.

Como motores de foguete funcionam?

Foguetes funcionam com base na lei de ação e reação de Newton. É basicamente jogar algo para a direção contrária a que se quer seguir e assim adquirir velocidade.

Jake Peralta e Rosa Diaz apostando corrida em cadeiras de escritório usando extintores de incêndio como propulsores.

E é possível fazer isso de várias formas diferentes – algumas mais simples que outras e com diferentes vantagens e desvantagens. A mais simples delas envolve um tanque com gás pressurizado, que pode gerar uma quantidade significativa de empuxo ao liberar seu conteúdo em uma direção específica.

Esquema mostrando funcionamento de um cold gas thruster.

E é assim que muitos sistemas aeroespaciais funcionam. É só adicionar uma válvula e um pequeno bocal e pronto – temos um simples e funcional cold gas thruster, normalmente utilizado para manobras.

Esse tipo de sistema é ótimo para situações que exigem pouca energia, como mudanças de direção ou rotações. Mas para vencer nossa forte gravidade e densa atmosfera, precisamos de algo muito mais poderoso – é aí que as reações químicas entram em jogo.

Vídeo de lançamento teste do foguete Falcon Heavy.

Os motores de foguete convencionais são grandes câmaras projetadas para reagir substâncias comburentes e substâncias combustíveis sob pressões altíssimas e permitir que os gases gerados escapem por um lugar específico e em uma direção específica, gerando empuxo.

Em alguns casos, como no ônibus espacial, as substâncias utilizadas são hidrogênio e oxigênio, gerando água durante a queima.

Mas, em boa parte dos casos, a queima de combustíveis fósseis é a melhor opção, colocando centenas de toneladas de dióxido de carbono na atmosfera. E apesar de não ser uma quantidade realmente impactante nas emissões mundiais, nós temos algumas tecnologias que podem ajudar a reduzir esse impacto.

Quais combustíveis são usados em foguetes?

As reações químicas em foguetes convencionais podem ser monopropelentes (apenas uma substância sendo decomposta), bipropelentes (duas substâncias reagindo) ou até tripropelentes (três substâncias reagindo).

A maior parte dos foguetes usam sistemas bipropelentes, com uma substância combustível e uma substância oxidante.

Combustíveis sólidos

Animação mostrando funcionamento de foguetes de combustível sólido.

Combustíveis sólidos são sistemas simples que unem os dois propelentes envolvidos em uma massa sólida que, quando inflamada, não para de queimar até o esgotamento completo.

Eles são bastante confiáveis, relativamente baratos e fornecem uma grande quantidade de energia nos primeiros momentos do lançamento. Mas sua descartabilidade não é adequada para projetos que exigem múltiplas queimas ao longo do voo.

O ônibus espacial utilizava 2 boosters de combustível sólido em seus lançamento.

Combustíveis líquidos

Foguetes de combustível líquido, como o Falcon 9 da SpaceX, utilizam propelentes líquidos guardados em tanques separados. Eles são muito mais complexos e envolvem o bombeamento de quantidades imensas de propelentes para as câmaras de combustão dos motores.

Propelentes líquidos podem ser:

Hipergólicos

Reação hipergólica entre tetróxido de dinitrogênio e anilina

Foguetes bipropelentes que funcionam com pares hipergólicos são aqueles que entram em ignição espontaneamente ao entrar em contato. Essa característica os torna muito simples de serem operados mas um pouco perigosos em seu manuseamento.

Exemplos de pares hipergólicos:

  • Aerozine 50 + Tetróxido de dinitrogênio
  • Dimetil-hidrazina assimétrica + Tetróxido de dinitrogênio
  • Metil-hidrazina + Tetróxido de dinitrogênio
  • Trietilalumínio/Trietilborano (TEA-TEB) + Oxigênio líquido

Criogênicos

Visão do interior do tanque de oxigênio líquido do segundo estágio de um Falcon 9

Foguetes que usam sistemas criogênicos são aqueles que precisam de substâncias que são gases em temperatura ambiente e que precisam ser resfriados até se liquefazerem para ocuparem um espaço menor nos tanques.

Exemplos de bipropelentes criogênicos:

  • Hidrogênio líquido (H2) + Oxigênio líquido (LOX)
  • Metano líquido (CH4) + Oxigênio líquido (LOX)

Semi-criogênicos

Querosene refinada (RP-1)

Foguetes que usam sistemas semi-criogênicos precisam que apenas uma das duas substâncias seja resfriada.

Exemplos de bipropelentes semi-criogênicos:

  • Querosene refinada (RP1) + Oxigênio líquido (LOX)
  • Etanol (álcool) + Oxigênio líquido (LOX)

Foguetes híbridos

Teste de foguete de combustível híbrido

Foguetes híbridos juntam a conveniência e simplicidade de propelentes sólidos com as vantagens de propelentes líquidos.

O propelente sólido – normalmente o combustível – é distribuído ao longo do tanque de maneira homogênea. O propelente líquido ou gasoso – normalmente o oxidante – fica armazenado em tanques.

Diferentemente dos foguetes sólidos convencionais, os foguetes híbridos podem ser desligados depois de sofrerem ignição, além de permitirem um controle de queima relativamente preciso.

Propulsão iônica

Motores iônicos são bastante diferentes dos motores químicos comumente utilizados. Eles são muito mais eficientes mas produzem pouquíssimo empuxo. Enquanto os motores de foguetes convencionais podem funcionar por alguns segundos ou minutos, motores iônicos podem ficar ligados por dias, semanas ou até meses.

Esses sistemas funcionam usando eletricidade (captada por painéis solares ou gerada por reatores atômicos) para ionizar átomos (normalmente gases nobres, como xenônio), e expulsá-los em velocidades altíssimas. Essa expulsão, assim como a expulsão de gases de combustão em foguetes convencionais, garante a aceleração da espaçonave.

Esse tipo de propulsão é normalmente usada em satélites ou sondas em missões de longa duração.

E por que foguetes precisam de estágios?

O combustível e o oxidante são a maior parte da massa de todos os foguetes que já chegaram em órbita. Durante os primeiros segundos do lançamento o veículo precisa vencer nossa gravidade e densa atmosfera queimando toneladas de combustível por segundo.

As coisas só ficam mais fáceis quando a atmosfera fica rarefeita o suficiente para não interferir tanto na aceleração do foguete. Mas nesse ponto do lançamento uma parte considerável do combustível já foi utilizada e os tanques estão ficando vazios.

Ao invés de carregar toda essa massa essencialmente inútil até a órbita, é muito mais simples se desfazer dela e continuar a jornada com um veículo menor – o segundo estágio.

Entenda melhor como isso funciona:

Foguetes, apesar de complexos, não fazem mágica. Quaisquer promessas de tecnologias milagrosas que supostamente pudessem nos levar a outros planetas sem o uso de sistemas semelhantes aos descritos aqui devem ser levadas com muito ceticismo.

Autor

Aspirante a comunicador científico fascinado por foguetes e exploração espacial. Odeia quando mergulham a bolacha no leite.

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