Por quê tentar mandar um foguete químico para outra estrela é burrice?

Question

Foguete químico é o foguete que funciona com a queima de combustível. Como a grande maioria dos que foram utilizados até hoje, para enviar sondas para outros planetas e colocar satélites em órbita.

A NASA pretende montar o foguete em órbita, para ir à Lua. Montar um foguete em órbita não diminuiria a quantidade de combustível necessária para ir à tal estrela, e não tornaria mais possível a viagem usando foguetes químicos?

Answer 1

Porque nesse caso você tem que mandar o combustível e o comburente junto, ou seja, terá grandes problemas para armazenar a matéria prima necessária para a reação química.

Um dos problemas da viagem espacial é que é necessário levar todo o combustível necessário ao partir. Entretanto, quanto mais combustível se leva, maior a massa da nave, o que acaba exigindo mais combustível --um verdadeiro círculo vicioso.

Os foguetes à base de químicos queimam o combustível, e os gases são expelidos para trás em grande quantidade. Isso provoca uma forte aceleração, mas em poucos minutos se consomem toneladas de combustível.

Ao se projetar um foguete para se enviar a outra estrela temos que considerar a enorme distância a ser percorrida e o tempo da viagem, ou seja, o propulsor deverá ser capaz de prover uma aceleração intensa que permita a nave atingir velocidades próximas a da luz. Ora se a estrela mais próxima (Próxima Centauri) dista mais de 4 anos-luz de distância do Sol uma viagem interestelar levará muitos anos para ser completada (estou falando só da ida) o que leva a crer que com a tecnologia atual estaria totalmente fora de cogitação envio de humanos.

Abaixo segue artigo que trata da tecnologia atual (foguetes químicos) e a pesquisa futura.

Veremos na análise abaixo que não temos hoje tecnologia necessária para realizar um projeto de viagem interestelar. Um projeto com esse objetivo será prematuro pois a velocidade do possível foguete levaria milhares de anos para chegar ao seu objetivo, ou seja, será um projeto que já nasceu obsoleto. Um projeto similar dentro de, digamos, uns "100 anos" provavelmente poderá gerar um foguete com outro tipo de combustível (vide abaixo alguns exemplos) mais eficaz e assim o futuro foguete chegará ao destino bem antes do foguete enviado "100 anos" antes no primeiro projeto (é aí que reside a grande "burrice").

O combustível ideal para tal empreitada deverá ocupar pouco espaço, ter altíssimo rendimento e prover empuxo suficiente para acelerar a sonda para uma velocidade muito acima dos níveis atuais (próxima da vel. da luz).

Propulsão > Tecnologia Atual

Embora os sistemas diferentes de propulsão em uso hoje variam em projeto e uso, quase todos eles contam com a energia liberada em reações químicas.

Análise

REAÇÕES QUÍMICAS

Então, o que é uma reação química? É basicamente um re-arranjamento de átomos. Uma reação básica é algo como isto:

2H 2 + O 2 -> 2H 2 O

As moléculas na esquerda são os reagentes. São o que você começa numa reação. As moléculas na direita são os produtos da reação. As letras representam átomos diferentes: H é hidrogênio, O é oxigênio. O subscrito conta quantos estão numa molécula particular: H 2 O contém dois hidrogênios e um oxigênio. Os coeficientes de cada molécula contam as relações de quantas moléculas que você necessitará numa reação e quantos são produzidos. Então se você tivesse 1.000 moléculas de H 2 , você necessitaria 500 moléculas de O 2 e você obtém 1.000 moléculas de H 2 O.

Como dito antes, uma reação química é basicamente um re-arranjamento de átomos. Nada é criado ou destruído, então o número de átomos de cada elemento em cada lado deve ser igual. No exemplo acima, no lado esquerdo, há duas moléculas de H 2 (os coeficientes também podem ser vistos como o número mínimo de moléculas necessário para a reação acontecer), cada um contendo dois átomos de hidrogênio, para um total de quatro átomos de hidrogênio. No lado direito, há duas moléculas de H 2 O, cada conter dois átomos de hidrogênio, novamente para um total de quatro átomos de hidrogênio. Semelhantemente, há dois átomos de oxigênio em ambos os lados. Nenhum átomo foi ganho ou foi perdido durante a reação. Então agora, a pergunta é, se reações químicas são apenas um re-arranjamento de átomos, de onde a energia vêm? Para responder isto, nós necessitamos dar uma olhada na estrutura das moléculas. Uma molécula é composta de dois ou mais átomos do mesmo ou diferente elemento que as unem. Quando há mais que dois átomos, há normalmente um átomo central com os outros átomos organizado ao seu redor, embora haja muitos exemplos de outras estruturas tais como correntes e anéis. As Links que seguram as moléculas juntas surgem do compartilhar de elétron entre os átomos diferentes. Dois átomos e compartilham até três elétrons. As Links são muito mais estáveis que átomos livres, então energia é liberada quando se formam, e energia é requerida para quebrá-las. Os átomos envolvidos e o número de elétrons compartilhados na ligação determinam quanta energia é requisitada ou é liberada quando quebrar ou formar as Links. As diferenças nestas quantias de energia são de onde a energia vem de uma reação química. Por exemplo, novamente usando a reação acima, 436 Joules são requeridos para quebrar as Links de um mol¹ de Links hidrogênio-hidrogênio e 145 Joules para quebrar um mol de Links oxigênio-oxigênio. Se quiséssemos reagir dois mols de H 2 com um mol de O 2 , nós necessitaríamos aproximadamente 2(436) + 145 = 1017 Joules. Cada molécula de água formada contém duas Links de hidrogênio-oxigênio, cada um de libera 366 Joules por mol, para total de 732 Joules por mol de H 2 O, e havendo dois mols de H 2 O formados, 1464 Joules são liberados.² Para achar quanta energia é liberada pela reação total, subtrai-se a energia necessária da energia liberada: 1464 - 1017 = 447 Joules liberados. Então, como que esta energia ajuda? Em sistemas de propulsão potenciada por substâncias químicas, a energia é liberada principalmente na forma de calor. O calor é basicamente o movimento rápido aleatório de moléculas. Este movimento faz as substâncias expandirem, especialmente quando são gases (que é normalmente o caso para os produtos destas reações). As reações normalmente acontecem em uma espécie de câmara onde os gases em expansão podem ser expelidos, resultando num impulso.

FOGUETES SÓLIDOS

Impulso Específico: 100-400 segundos
Carga: 10 3 -10 7 N

Os foguetes sólidos são as mais simples e mais velhas propulsões de foguete usadas pelos chineses. Os foguetes sólidos são enchidos com uma mistura sólida de um propulsor e um oxidante. Pouco mais é requerido para estes foguetes. Os projetos são muito simples e portanto confiáveis. A desvantagem principal de foguetes sólidos é que uma vez acesos, eles queimam até que todo o combustível é esgotado. Por causa disto, é que eles não são usados freqüentemente no espaço onde sistemas de propulsão normalmente é preciso acionar e desligar diversas vezes. Entretanto, é bom para se colocar coisas no espaço. Aliás, os transportes espaciais usam impulsionadores de foguetes sólidos (SRBs) durante a decolagem.

Fato rápido: O SRBs são os maiores motores de sólido-propulsor já voado e o primeiro projetado para se reutilizar. Cada um tem 149,16 pés de altura e 12,17 pés de diâmetro³

FOGUETE MONOPORPULSOR

Impulso Específico: 100-300 segundos
Carga: 0,1-100 N

Os foguetes Monopropulsores são sistemas simples de propulsão que contam com químicas especiais que, quando estimuladas, decompõe-se. Esta decomposição cria tanto o combustível como um oxidante (que permite o combustível queimar), que então reage um com o outro. Porque eles só usam um único propulsor, foguetes monopropulsores são bastante simples e de confiança. Infelizmente, eles não são muito eficientes. Eles são usados principalmente para fazer adaptações pequenas tal como controle de atitude. Sistemas principais de propulsão normalmente usam alguma outra tecnologia.

FOGUETES BIPROPULSOR

Impulso Específico: 100-400 segundos
Carga: 0,1-10 7 N

Os foguetes Bipropulsores separam o combustível e oxidador e os mistura na câmara onde queimam. Os foguetes Bipropulsores são muito usados e mais eficientes que foguetes monopropulsores. A reação dada na lição em química dá um exemplo de uma combinação combustível(H 2 )/oxidante(O 2 ). É realmente uma combinação muito boa que libera uma quantia grande de energia. É a combinação usada pelos motores principais de lançamento espacial. Infelizmente, tanques grandes que precisam de temperaturas extremamente baixas são requeridos para carregá-los. Aliás, o propósito principal do tanque externo vermelho gigante unido à lançadeira de espaço em decolagem é carregar combustível suficiente receber a lançadeira de espaço em espaço. A desvantagem principal de foguetes bipropulsores é que são mais complexos que sólidos ou foguetes monopropulsores. O combustível e oxidador têm que estar armazenados separadamente e têm que estar alimentados junto em exatamente as relações corretas para alcançar eficiência máxima. Apesar da complexidade extra, foguetes bipropulsores são ainda os sistemas preferidos para propulsão primária.

Propulsão > Pesquisa Atual

Os sistemas de propulsão acionados por reações químicas são bastante ineficientes em termos de impulso específico. Os cientistas estão desenvolvendo novos sistemas mais eficientes que seriam úteis em missões de longo prazo.

Análise

MELHORANDO A EFICIÊNCIA

Para um sistema básico de propulsão de ação-reação, a massa inicial (antes de usar o sistema) M 0 , a massa final (depois que usar o sistema) M, a velocidade final v, e a velocidade do sistema impulsionador v p podem ser relacionadas usando-se a equação:

M 0 = M Exp(v/v p )

onde Exp(x) é a função exponencial e x e e é aproximadamente igual a 2,718. Para uma espaçonave, você pode pensar em M como sendo a massa da espaçonave sem combustível (i.e. a nave em si, a carga, etc.), e M 0 - M é o quanto o combustível que você necessitará para obter uma velocidade máxima de v, se o sistema de propulsão usado atirar o combustível numa velocidade de v p . Embora a massa da nave sem combustível tem um papel significativo em determinar quanto combustível é requerido, a relação de v/ v p é muito mais importante (comparando o dobro de M e o dobro de v/vp). Então o problema de reduzir a quantia de combustível faz com que seja necessário reduzir v/vp, que requer fazer v p tão grande quanto possível. Embora sistemas químicos de propulsão fornecem uma quantia grande de impulso, os gases de impulsão só alcançam alguns quilômetros por segundo, que traduz a impulsos específicos relativamente baixos. Os cientistas atualmente pesquisam novas tecnologias que impulsionam gases a velocidades muito maiores, resultando em impulsos específicos Topos.

O EMPURRADOR DE ÍON

Impulso Específico: 1500-8000 segundos
Carga: 10 -3 -10 N

Átomos são compostos de três tipos de partículas básicas: prótons, nêutrons, e elétrons. Os prótons e nêutrons são juntos no núcleo do átomo, enquanto os elétrons orbitam ao redor do núcleo. Duas destas partículas, prótons e elétrons, têm uma carga elétrica. Cargas elétricas são o que causa seu cabelo levantar-se quando você o esfrega com um balão. Há dois tipos de mudanças, positivo e negativo, que age como pólos norte e sul de ímãs. Os objetos com a mesma carga repelem-se e objetos com cargas diferentes atraem-se. Em átomos, prótons são positivos, e elétrons são negativos. Num átomo neutro, o número de prótons e elétrons são iguais, compensando-se. Entretanto, como os elétrons orbitam o átomo, eles podem ser arrancados, quebrando o equilíbrio entre prótons e elétrons. Como há mais prótons que elétrons, o átomo torna-se positivamente carregado. É também possível para um átomo colher elétrons extras, dando-lhe uma carga negativa. Quando um átomo torna-se carregado, fica conhecido como um íon.

Se você tiver um punhado de íons com a mesma carga, eles podem ser controlados usar um campo elétrico. O impulsionador de íon é baseado nesta idéia. Um gás, tal como xenônio, que tem uma massa atômica alta e facilmente é ionizado, é injetado em um final da câmara onde é bombardeado por elétrons. O bombardeio bate fora elétrons de xenônio, ionizando-o. O outro final da câmara é coberto por uma carga grade que atrai o gás ionizado, acelerando-o a velocidades muito mais altas que em foguetes químicos. Depois que o gás sair do motor, ele é combinado com uma nuvem de elétrons, que neutraliza o gás para prevenir um acumulo de carga.

Os impulsionadores de íon, como o desenvolvido pelo NASA's Deep Space 1 probe, pode acelerar gases até dez vezes a velocidade de gases de foguetes químicos. O resultado desses impulsos específicos Topos fazem estes sistemas ideais para termo longo, missões distantes. Entretanto, impulsionadores de íon têm algumas desvantagens. O impulso produzido é muito baixo (sobre equivalente à força de um pedaço de papel na sua mão), que significa a aceleração é muito baixa. Afortunadamente, como não há nenhuma fricção no espaço, esta aceleração pequena, quando contínua durante um período longo de tempo, pode resultar em grandes velocidades.

FOGUETE ESPECÍFICO VARIÁVEL DE MAGNETOPLASMA DE IMPULSO (VASIMR)

Impulso Específico: 1000-30000 segundos
Carga: 40-1200 N

Quando aquecem um sólido a uma temperatura suficientemente alta, eventualmente torna-se um líquido então um gás. O que acontece quando continua a aquecer um gás? Eventualmente, os átomos no gás perdem seus elétrons e o gás torna-se o quarto estado de matéria, plasma. O plasma é basicamente uma mistura gasosa de íons e elétrons. O plasma é realmente o mais comum estado do universo e é encontrado em relâmpago e estrelas. O plasma tem a propriedade especial que pode ser influenciado por um campo magnético. O VASIMR usa hidrogênio no estado de plasma como um impulsionador. Seu projeto raro permite trocar impulso específico para impulso enquanto manter um requisito constante de poder (em outros sistemas semelhantes, aumentando impulso requer um aumento de poder). Esta característica põe se à parte de outros sistemas de propulsão porque pode fornecer impulso específico Topo, impulsos Topos, ou algo em entre. O VASIMR é dividido em três partes: duas câmaras e um bocal magnético. Na primeira câmara, gás de hidrogênio é injetado e é aquecido ao estado de plasma usa ondas de rádio. O plasma então é enviado à segunda câmara onde torna-se formidável aquecido por ondas de rádio e ímãs a uns poucos milhões de Kelvins (temperatura em Kelvins = temperatura em Celsius + 273). O plasma formidável-aquecido então é dirigido para fora do motor pelo bocal magnético. O bocal magnético tem a capacidade de ajustar quanto escapamento é solta. Solte quantias grandes de escapamento cria impulso maior. Entretanto, desde que o plasma gasta tempo menos na segunda câmara, não é aquecido tanto, e então sua velocidade e impulso específico são mais baixos. Por outro lado, se escapamento menos é solta, impulso menos é produzido, mas o plasma é aquecido mais, resulta em impulso específico mais.

Pesquisa Futura

Para centenas de anos, as pessoas sonharam com voar a estrelas distantes e para planetas. Infelizmente, as distâncias são muito demais grandes para nós viajar com tecnologia atual. Entretanto, algum propôs idéias isso, enquanto distante além de nossas capacidades tecnológicas atuais, fornece-nos com alguma esperança de fazer nosso sonho uma realidade.

Análise

PROPULSÃO DE FUSÃO

Em fusão nuclear, o processo que aciona as estrelas, o núcleo dois átomos leves são fundidos em um núcleo mais pesado. Durante este processo, uma quantia pequena de matéria é convertida numa quantia enorme de energia (de acordo com equação famosa do Einstein, E=mc2, uma quantia tão pequena quanto 10-11 gramas de matéria podem produzir um kilojoule de energia). Reatores atuais de fusão trabalham por aquecer elementos leves a muitos milhão Kelvins. Em tais temperaturas, nenhum substâncias sabidas podem conter os combustíveis para a reação de fusão, que são plasmas por esta ponta. Afortunadamente, os plasmas podem ser contidos por um campo magnético e nunca toca sua vasilha. Os átomos movem tão rapidamente nestas temperaturas que eles podem superar o que repelindo forças entre eles, permitindo os núcleos chocar e fundir junto.

A energia liberada por fusão pode ser usada num número de meios. O plasma podia ser dirigido para fora do reator fornecendo impulso diretamente. A energia também podia ser usada para criar eletricidade acionar outros sistemas de propulsão. A reação também pode acontecer fora do navio na forma de uma série de explosões perto de uma espécie de prato de traficante de drogas ou campo magnético que empurraria o navio adiante.

Infelizmente, um reator de fusão de auto-sustentação está além de nossas capacidades atuais. Como é, mais energia é posto no reator manter indo que o reator produz. Para aumentar a eficiência de reação de fusão suficiente para eles serem auto-sustentáveis, muitas temperaturas maiores são necessitadas. Até que cientistas descubram um meio de aumentar a temperatura da reação suficientemente, sistemas de propulsão acionados por fusão não serão plausíveis.

Os cientistas também examinam a possibilidade de fusão fria, um meio de executar uma reação de fusão à temperatura ambiente (ou perto de ele). O conceito, entretanto, permanece na teoria.

PROPULSÃO DE ANTIMATÉRIA

Cada partícula tem uma antipartícula. Por exemplo, o positivamente carregou antipartícula do próton é o negativamente carregou antipróton, e o negativamente carregou antipartícula do elétron é o positivamente carregou próton. O Antimatéria é matéria (o nome é algo desorientado como antimatéria é matéria ainda, somente um tipo diferente) isso é composto de antipartículas. O Antimatéria tem a propriedade interessante que quando choca com a matéria regular, eles destroem-se produzir radiação eletromagnética, principalmente na forma de radiografias e raios de gama. As reações de Matéria-Antimatéria completamente convertem matéria em energia, e estão, portanto, o meio bem eficiente de produzir energia. Esta quantia tremenda de energia podia ser convertida a eletricidade que pode acionar outro sistema de propulsão, ou podia ser convertido para aquecer. A energia térmica pode aquecer um gás a temperaturas muito altas, que podiam ser usadas como um impulsionador. A energia mesmo podia ser convertida para acender que, quando focalizado em uma direção, realmente pode impelir um navio adiante. Infelizmente, o uso de antimatéria tem duas desvantagens importantes. Primeiro, porque destrói toda matéria em entra contato com, não há meio sabido contê-lo. O segundo, e o que é mais importante, Antimatéria é extremamente raro. Aliás, o único coloca pode ser achado está em laboratórios. Só foi produzido em quantias extremamente pequenas e requer mais energia que produz. O custo de criar antimatéria é astronômico -- um calculou 62,5 trilhões dólares por grama! Enquanto melhora a tecnologia, embora, o preço é esperado equivale a vários bilhões de dólares por grama.

Answer 2

Além do problema de armazenamento, que em meu entendimento acaba por ser o menor de todos, o grande problema é que foguetes químicos tem efeito de ação e reação( força de interação) limitado. Ou seja, eles possuem uma grande aceleração inicial, mas com o passar do tempo essa aceleração tende a zero, o que não trará incrementos na velocidade do foguete, coisa indispensável quando se pensa em percursos de anos-luz . O ideal será um foguete cuja aceleração seja contínua, ainda que risivelmente pequena no início do deslocamento, aceleração contínua significa ganho contínuo de velocidade. Assim, um bom substituto para o motor químico(combustão) seria o motor iônico, cuja geração elétrica poderia se dar a partir de um reator nuclear( quem sabe até de fusão, no futuro). neste tipo de motor os íons são acelerados no vácuo até próximo a "c", fornecendo um bom empuxo para o foguete, ou melhor, uma aceleração constante. Com o passar do tempo(quem sabe séculos, este foguete estará a uma velocidade que poderá ser mensurada em percentual significativo de "c", como 0,4c 0u 0,7c. Esse tipo de foguete deve ser lançado da órbita da Terra, podendo usar inclusive a gravidade de planetas maiores para ganhar velocidade inicial, como fazem as sondas em fly by. Depois, tudo fica por conta dos íons.
Alguns projetos são de utilização mais complicada, como o motor fotõnico, que utiliza anulação de matéria e anti-matéria( muito mais distante tecnologicamente do que o motor iônico)
Até mais.
Obs( eu me candidataria a participar da expedição, ainda que fosse para que os meus tataranetos observarem de perto uma das estrelas que eu observo pelo refrator!!!)

Answer 3

Além do que já foi dito, eles são muito LENTOS em comparação às distâncias astronômicas. Tirando o Sol, a estrela mais próxima da terra (Proxima Centauri) está a mais de 4 anos luz da terra. Se a LUZ leva 4 anos para chegar lá, imagina um foguete que viaja a 0,00000001 da velocidade da luz!

Answer 4

A velocidade que um foguete movido por combustível químico(sólido ou líquido) atinge, é proporcional à velocidade com que os gases originados na reação escapam pelo bocal.
Nos foguetes atuais essa velocidade é no máximo o suficiente para conseguir superar a velocidade de escape da Terra.
Portanto uma hipotética nave interestelar movida por um foguete desse tipo, mesmo que depois utilizasse a força gravitacional de um grande planeta para acelerar mais ainda, conseguiria uma velocidade em torno de 100.000 Km/h, e a essa velocidade levaria 45.000 anos para chegar até a estrela mais próxima do Sol. Por isso que seria uma burrice lançar uma empreitada dessa natureza.
O problema não está na quantidade de combustível que se teria que levar, pois uma vez atingida a velocidade de cruzeiro a inércia faria o resto do serviço, ou seja, a viagem seria feita quase toda com os motores desligados, mas sim no tempo que essa viagem duraria.

Viagens desse tipo só poderão ser feitas quando forem desenvolvidos propulsores capazes de impulsionar a nave a pelo menos 50% da velocidade da luz, e isso por enquanto é apenas um sonho.

Answer 5

Só para acrescentar uma coisinha. Para além do volume de oxidante para o arranque, seria necessário possuir a mesma quantidade para a travagem. Além disso, ficava limitada a muitos cálculos a possibilidade de efectuar uma manobra que fosse necessária por algum motivo, sem desperdiçar combustível necessário ao regresso.

E depois, nunca mais lá chegávamos, talvez no Dia de S. Nunca, mas de manhã, que é mais fresquinho.

Answer 6

Os dois ai de cima tem razão.