Propulsor Iónico

Um propulsor iónico é um dos tipos de propulsão eléctrica usada na indústria aeroespacial, capaz de gerar impulso através da aceleração de iões. Em Junho de 2015 lembro-me de ter visto esta demonstração pela primeira vez na Makezine, feito pelo . Na altura achei interessante pelo seu valor científico e ao mesmo tempo bastante simples de construir, então pensei que eu e o Hugo poderíamos fazer a nossa própria versão utilizando peças 3D.

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Este projecto não é exactamente um motor eficiente, mas mais uma demonstração científica do princípio de funcionamento do propulsor iónico. Com isto dito, não sairá disparado da mesa em direcção ao espaço mas será capaz de geral um pequeno fluxo de ar sem utilizar quaisquer partes móveis, o que é bastante interessante.

Em termos de materiais o projecto é bastante simples, tudo o que é preciso são alguns pregos, tubos de cobre, uma fonte de alta tensão, fios e algo para construir a estrutura.

O Alexander sugere o uso de pregos cobreados, o que presumo que seja para aumentar a condutividade eléctrica dos mesmos. Existem várias maneiras de fazer isso, pessoalmente utilizei uma técnica bastante simples que encontrei no instructables, que apenas usa moedas de cobre oxidadas, sal e sumo de limão ou vinagre. Então peguei em alguns pregos de ferro e limpei-os com um esfregão de aço para remover qualquer oxidação existente.

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Depois coloquei-os na solução, um a um:

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Em alguns minutos já tinha o primeiro prego cobreado:

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Durante o processo pode ser necessário substituir as moedas, porque isto funciona melhor com elas oxidadas. Ao longo do tempo elas perdem a camada de oxidação e o processo deixa de funcionar. Também é boa ideia ir adicionando mais sal e sumo de limão ou vinagre para manter a solução activa.

Passado um momento já tinha todos os pregos que precisava:

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De lembrar que este método apenas aplica uma fina camada de cobre nos pregos, pelo que qualquer arranhão irá removê-la facilmente.

Para os tubos utilizei um antigo tubo de cobre de uma canalização, com 2cm de diâmetro e cortei-o em partes de 5cm de comprimento.

Depois comecei a desenhar a estrutura. Como temos a impressora 3D Lulzbot TAZ 4 no eLab Hackerspace, pensei que podia usar impressão 3D para fazer algo mais apelativo:

Então utilizei o Tinkercad para desenhar a estrutura toda:

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Se quiserem fazer o vosso próprio propulsor, disponibilizei as peças 3D no Thingiverse. Apesar de ter usado uma impressora grande como a TAZ4, tive o cuidado de garantir que todas as peças fossem pequenas o suficiente para caberem na maioria das impressoras.

Depois comecei a imprimir as diversas peças e a montar tudo no sítio:

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Para a fonte de alta tensão, utilizei um NST (Neon Sign Transformer) que tinha como extra do meu Tesla Coil. Tem uma saída de 9kV, a 50mA. Tenham bastante cuidado ao utilizar alta tensão, é preciso saberem o que estão a fazer porque existe perigo de morte!

No entanto podem-se utilizar outras fontes de alta tensão como um transformador de linhas de um CRT, ou algo do género.

Assim que tive algumas partes prontas comecei a testar o projecto:

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E funciona bem!

Eventualmente as peças ficaram todas prontas. Até adicionei um botão de emergência para ligar o transformador, sempre torna as coisas mais excitantes!

 

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Agora para a explicação científica. Os pregos cobreados e os tubos de cobre servem de eléctrodos:

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Os pregos devem estar posicionados exactamente no centro geométrico dos tubos. Desta forma, a distância entre a ponta de cada prego e a superfície de cada tubo será a mesma:

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O campo eléctrico elevado à volta dos pregos irá ionizar o ar envolvente, o que significa que ficará electricamente carregado e será atraído pelo eléctrodo com a carga oposta, os tubos:

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Isto irá criar pequenos raios de plasma, quase invisíveis. À medida que os iões chegam aos tubos, as cargas serão atraídas por eles mas as partículas neutras já ganharam um momento, então continuam a deslocar-se, criando um fluxo de ar constante.

Aqui é possível verificar que os pregos estão posicionados ao centro dos tubos:

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Existem várias coisas que têm influência sobre a eficiência do sistema, por exemplo a tensão aplicada aos eléctrodos, a precisão da colocação dos pregos no centro dos tubos, garantir que as distancias entre as pontas dos pregos e os tubos é sempre a mesma, cortes perfeitos nos tubos, ter a superfície dos mesmos perfeitamente perpendicular aos pregos, e claro a distância entre os eléctrodos, que idealmente deve ser colocado o mais próxima possível um do outro, mas imediatamente antes de se gerar um arco eléctrico.

Apesar do desenho ter uma patilha de ajuste de distância entre os eléctrodos, nunca ajustem a mesma enquanto o transformador estiver ligado, uma vez que esta está demasiado próxima dos eléctrodos e pode ser bastante perigoso. Por isso garantam sempre que a fonte está desligada antes de ajustarem a patilha!

Se um arco eléctrico for criado, o circuito irá fechar-se por esse mesmo arco, o que significa que não haverão outros pequenos raios de plasma, e não se irá gerar um fluxo de ar. A electricidade percorre sempre o caminho de menor resistência:

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No entanto permite tirar umas fotos fantásticas:

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Eu tive a oportunidade de levar este projecto à Lisbon Maker Faire 2015, na qual fui premiado com a distinção “Best in Class” na categoria da ciência!

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Agora apenas uma nota final, no espaço não existe ar para ionizar, o que significa que este projecto assim como está não funciona, então como é que fazem nas sondas espaciais? Bem, no espaço é injectado um gás nobre no sistema, como por exemplo o Xénon, o que evita que as sondas utilizem combustíveis sólidos, tornando-as mais eficientes e apropriadas para longas viagens. No entanto o princípio de funcionamento continua a ser o mesmo!

Aqui fica outro vídeo já com a montagem completa, e até com alguns arcos eléctricos no fim:

Transformadores de alta tensão são bastante perigosos! Não tentem fazer isto se não souberem trabalhar com alta tensão em segurança!

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