MECANISMO DE MOVIMENTO ESPACIAL INTERNO (MMEI)

REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10668850

Pedro Jorge Pires Cruz;
CEPMG: Maria Tereza Garcia Neta Bento

Resumo: Este artigo tem como objetivo apresentar um mecanismo de propulsão secundário para espaçonaves que tenham uma massa superior a 100 toneladas sem gastar nada de combustível para realizar qualquer movimento, utilizando apenas a física por trás da mecânica de fluidos no espaço para gerar movimento de uma espaçonave de forma interna, sem a necessidade de expelir qualquer propelente armazenado em uma quantidade limitada, com a utilização desse mecanismo permitindo que sempre a mesma quantidade de combustível usada para gerar movimento, com este trabalho tendo importância significativa não para as espaçonaves do presente mais sim para as espaçonaves do futuro que ousem ir contra a força do sol em direção ao espaço profundo, com o mecanismo apresentado neste artigo podendo não só servi como um meio de propulsão secundário afim de substituir os já antigos propulsores RCS das espaçonaves atuais, mais também podendo se torna o meio de propulsão principal das espaçonaves que ainda estejam por vir.

Palavras chave: Exploração espacial, Mecânica de fluidos no espaço, sistema de propulsão espacial.

Introdução: Um dos principais problemas que sempre limitou as explorações do espaço foi a quantidade de combustível que cada espaçonave pudesse carregar consigo mesma, com missões espaciais inteiras sendo definidas pela quantidade se combustível de uma espaçonave, contudo, a solução para este problema existe a décadas, desde os primeiros satélites artificiais lançados a órbita da terra durante a corrida espacial, que foi quando americanos e soviéticos notaram que seus satélites sofriam pequenas alterações de curso e alinhamento, e inicialmente eles não sabiam explicar o por que dos satélites aparentemente se moverem por conta própria, até que um engenheiro apontou que a mecânica de fluidos no espaço era diferente da mecânica de fluidos na terra, pois no espaço, pela ausência de gravidade os combustíveis líquidos se dissipavam em bolhas que quando em contato a uma baixa velocidade com a parede interna do tanque de combustível do satélite gerava-se um pequeno movimento que alterava ligeiramente a trajetória do satélite, com isso sendo classificado na época como um problema de engenharia que com o tempo se solucionou, contudo, o que para os pioneiros da exploração espacial era um problema hoje e para o futuro pode ser sua maior solução.

Métodos: Contudo, no mecanismo de movimento espacial interno sugerido neste artigo, o fluido usado para gerar movimento internamente seria o mercúrio, um material que em temperatura ambiente poderia manter sua forma líquido, o que faria o mecanismo manter uma temperatura para a utilização do mercúrio em estado líquido Inteiramente por volta dos 38 graus negativos, tanto durante sua utilização em cada disparo quanto em seu local de armazenamento, com o mercúrio líquido possuindo uma grande densidade em seu estado líquido, o que seria essencialmente importante para gerar movimento, tendo em vista que a utilização de um líquido tão pesado como o mercúrio poderia gerar uma força de movimento em newtons igualmente proporcional a força usada para mover o líquido inicialmente com o intuito de se gerar movimento, e se tratando de um líquido tão denso como o mercúrio, a massa do fluido aumenta, o que consequentemente requer uma força maior em newtons para mover o líquido, o que por sua vez significa uma maior velocidade de movimento.

No entanto, para que seja possível disparar um líquido tão denso como o mercúrio a uma velocidade significativa de várias dezenas de metros por segundo, seria necessário um sistema de disparo de alta pressão para acelerar o mercúrio líquido, com um sistema pneumático de alta pressão sendo a escolha mais viável tecnicamente para este mecanismo, pois um gás ao contrário de um líquido não ocupa espaço de forma física, oque permitir ao gás ser armazenado em grande quantidade, oque faria a estrutura deste mecanismo possui um tanque de armazenamento de fluidos, de onde o gás e o mercúrio seriam retirados para realizar os disparos, e depois armazenados novamente após cada disparo, onde nesse tanque de armazenamento, a pressão criada pelo gás faria com que o mercúrio líquido em um ambiente de gravidade zero ficasse totalmente unido em uma bolha líquida no centro do tanque, onde a pressão do gás seria tão intensa a volta dessa bolha de mercúrio líquido, que o mesmo precisaria de uma força externa para se mover além do centro do tanque de combustível devido a densidade do ar no tanque, onde em uma situação de disparo, seria necessário aproximadamente 1,3 toneladas de gás C02 para criar uma pressão de 1360 newtons que poderiam acelerar 1 litro de mercúrio líquido a uma velocidade de até 100 metros por segundo, com o gás C02 sendo indicado para criar a pressão necessária pois não é inflamável, oque significa que por ele ser composto e não puro, não teria o risco dele explodir ou queimar ou danificar o mecanismo em si, isso sem contar sua densidade e massa, com a massa do CO2 (dióxido de carbono) é de aproximadamente 44 gramas por mol, e a sua densidade é de 1,98 kg/m³ a 0°C e 1 atm de pressão, oque em pouca quantidade já pode gerar uma pressão significativa.

Contudo para ser disparado a alta velocidade, o mercúrio líquido precisaria de uma estrutura com algumas especificações, no caso uma câmara de disparo pneumático, onde primeiramente o mercúrio líquido seria depositado em uma pequena quantidade por um sistema de sucção de separação líquido-gás, onde em seguida uma grande quantidade de CO2 seria depositada na mesma câmara usando o mesmo sistema de sucção, onde já em uma significativa pressão, o CO2 em quantidade suficiente, onde através da pressão iria conduzir o mercúrio líquido até um espaço quadrado pequeno, onde o mercúrio em seu estado líquido seria moldado igualmente ao espaço onde ele estaria, sendo este espaço, o bocal de pressão do líquido pré-disparo, onde o mercúrio líquido seria retido antes de ser disparado devido a alta pressão exercida pelo CO2 após barreira entre o mercúrio líquido e o encanamento principal ter sido aberto, e para reter completamente o mercúrio líquido no bocal de pressão pré-disparo, o espaço à volta deste bocal teria que ser ligeiramente ondulado, a fim de possibilitar que toda e qualquer partícula de mercúrio líquido escorregue e entre no bocal em decorrência da pressão do CO2.

Após o disparo do mercúrio líquido, o fluido seguiria em um espaço reto em alta velocidade, este espaço é o encanamento principal, que teria largura e tamanho o suficiente apenas para a passagem do mercúrio líquido a alta velocidade, sendo neste encanamento principal onde o mercúrio líquido será dissipado e em seguida reutilizado para futuros disparos, e para dissipar um líquido tão denso viajando a uma velocidade tão alta, será necessário um sistema de sucção bastante poderoso, e para garantir que o mercúrio líquido seja todo dissipado, diversos sistemas de sucção de separação líquido-gás seriam colocados ao redor do interior do encanamento interno em funcionamento máximo, assim, com múltiplos sistemas de sucção seria possível dissipar completamente o mercúrio líquido a alta velocidade, com o sistema de sucção de separação líquido-gás sendo estritamente necessária, pois após o disparo do mercúrio líquido do bocal de pressão pré-disparo, uma quantidade significativa de gás CO2 poderia escapar para o interior do encanamento principal, e nesta situação inevitável, o sistema de sucção de separação líquido-gás, iria separar o gás e o mercúrio líquido, levando-os separadamente até os seus respectivos recintos de armazenamento, contudo, o sistema de sucção líquido gás não serviria apenas para separar o mercúrio do gás CO2 após cada disparo, mais também teria um papel fundamental no preparo de cada disparo, primeiro retirando o mercúrio do tanque de armazenamento de fluidos para em seguida retirar o gás CO2 para dá início a um novo disparo na câmara de disparo pneumática, com esse sistema de sucção possibilitando o emprego de ambos os fluidos individualmente no mecanismo.

E por fim, após a dissipação do mercúrio líquido a alta velocidade, o mesmo seria conduzido pelos sistemas de sucção de separação líquido-gás novamente até seu local de disparo, e para o mercúrio líquido chegar novamente a câmara de disparo pneumático, seria necessário um segundo sistema de encanamento, no caso um encanamento paralelo ao encanamento principal, que poderia ter as mesmas proporções do encanamento principal, só que ao invés de disparar o líquido em uma direção específica, o encanamento paralelo iria leva-lo na direção oposta para que seja possível sua reutilização, e para fazer com que o mercúrio líquido alcance a câmara de disparo pneumática, seria possível reutilizar os mesmo sistema de sucção de separação líquido-gás usados anteriormente para dissipar o mercúrio líquido em alta velocidade, para conduzi-lo até a câmara de disparo pneumático novamente.

(Ilustração do mecanismo de movimento espacial interno)

No entanto, para que seja possível a operação desse mecanismo com o intuito de gerar movimento em todas as direções de cada uma das dimensões da nossa terceira dimensão, para cima e para baixo, esquerda e direita, frente e trás usando como referência o centro estrutural da espaçonave, seriam necessários 10 mecanismo como o ilustrado a cima, sendo dois mecanismo para movimentar a espaçonave para frente e para trás posicionados horizontalmente, dois mecanismo para movimentar a espaçonave para cima e para baixo posicionados verticalmente, e dois mecanismo para movimentar a espaçonave para esquerda e direita posicionados horizontalmente, com estes mecanismo ditos até agora movimentando a estrutura da espaçonave por inteiro em relação ao centro da estrutura, com dois mecanismo laterais na estrutura da espaçonave sendo responsáveis por girar a frente da espaçonave para esquerda e direita, com outros dois mecanismo movimentando a frente da espaçonave para cima e para baixo em relação ao centro da estrutura, com ambas as duplas de mecanismos laterais disparando o mercúrio líquido a alta velocidade na mesma direção, assim se um mecanismo lateral movimentar a espaçonave em uma direção, o outro mecanismo lateral responsável por realizar o mesmo tipo de movimento poderá anular o movimento feito pelo outro mecanismo com um disparo de mercúrio líquido a alta velocidade na direção oposta do movimento da frente da espaçonave, garantindo assim um movimento espacial completo, que poderá ser anulado por um disparo na direção contrária a do disparo anterior.

Mais o mecanismo não ficando limitado a atuar apenas como um novo sistema de RCS para a movimentação espacial das espaçonaves ou a realização de manobras no espaço, com este mecanismo também podendo servi em alguns casos como o sistema de propulsão principal de espaçonaves, pois a depender dos aspectos de cada mecanismo, como o volume da câmara de disparo pneumático, a quantidade de gases empregadas para realizar cada disparo do mercúrio líquido e até mesmo a quantidade de mercúrio líquido empregado em cada disparo, o mecanismo poderia representar um meio de propulsão constante no espaço, pois como o mercúrio líquido é reutilizado ao final de cada disparo, isso possibilitaria ao mecanismo realizar sucessivos disparos, contudo ele pode não ter força o suficiente para tirar uma espaçonave da órbita de um planeta e tempo antes da janela de transferência se fechar, pois cada disparo, embora forte, levaria alguns segundos de um disparo para o outro em decorrência de questões como o tempo do mercúrio líquido ser dissipado e separado do CO2 pelo sistema de sucção de separação líquido-gás, bem como o tempo do CO2 e do mercúrio líquido serem levados pelo encanamento paralelo e sistemas de sucção a câmara de disparo pneumático, onde por fim teria mais o tempo para cada disparo ser preparado, com o tempo dessas atividades não coincidindo com a necessidade de propulsão de uma espaçonave que queira sair da órbita de um planeta, no entanto, uma vez após ter saído da órbita do planeta o mecanismo poderia entrar em ação conduzindo a espaçonave com um aumento de velocidade constante, com esse mecanismo podendo reduzir drasticamente o tempo de viagens, com milhares, dezenas de milhares e até centenas de milhares de disparos podendo ser realizados em uma viagem de um mundo ao outro sem gasto com combustível nenhum, com até milhões de disparos podendo ser realizados em viagens interestelares, com cada disparo aumentando a velocidade e consequentemente diminuindo o tempo de uma viagem espacial.

Resultados: Contudo, para calcular a velocidade que o mecanismo pode atingir são necessárias a realização de três fórmulas matemáticas para chegar a velocidade final do mecanismo como um todo, com a primeira fórmula apresentando a pressão decorrente do CO2 totalmente despejado na câmara de disparo pneumático, com esse resultado sendo utilizado na segunda fórmula que calcula a velocidade com a qual o mercúrio líquido é disparado, com a velocidade deste disparo sendo usada para resolver a terceira e última fórmula que tem como objetivo descobrir a velocidade final de todo o mecanismo, com a primeira e segunda fórmulas apresentando as informações necessárias para a resolução da terceira fórmula.

A fórmula que relaciona a aceleração que a pressão de um gás pode fazer um líquido alcançar é conhecida como a Lei de Pascal. Essa lei estabelece que a pressão aplicada em um fluido confinado é transmitida igualmente em todas as direções e em todas as partes do fluido.

A fórmula para determinar a pressão que um gás pode gerar é:

P = nRT/V
Onde:
-P = pressão (em Pascal, Pa)
-n = quantidade de matéria do gás (em mol)
-R = constante dos gases (8,31 J/(mol·K) ou 0,0821 atm·L/(mol·K))
-T = temperatura absoluta do gás (em Kelvin, K)
-V = volume ocupado pelo gás (em litros, L)

A fórmula para calcular a velocidade que um líquido pode alcançar após ter sido pressionado por um gás é dada pela equação de Bernoulli, que é:

\[v = \sqrt{\frac{2P}{\rho}},\]
Onde:
-\(v\) é a velocidade do líquido
-\(P\) é a pressão do gás
-\(\rho\) é a densidade do líquido.

E para descobrir a velocidade final do mecanismo por inteiro pode-se usar a equação de conservação do momento linear. Supondo que um líquido é disparado para propulsionar um objeto, a fórmula para determinar a velocidade final do objeto seria:

\[v_f = \frac{m_{liq} \cdot v_{liq}}{m_{obj} + m_{liq}} + v_{obj}\]
Onde:
– \(v_f\) é a velocidade final do objeto
– \(m_{liq}\) é a massa do líquido disparado
– \(v_{liq}\) é a velocidade do líquido disparado
– \(m_{obj}\) é a massa do objeto
– \(v_{obj}\) é a velocidade inicial do objeto (antes do líquido ser disparado)

Essa equação assume que não há perda de líquido durante o disparo e que a ação do líquido sobre o objeto se dá de forma isolada, sem influências externas, com estes cálculos podendo por si só apresentar a velocidade que o mecanismo poderia atingir em qualquer situação, onde a velocidade do mecanismo será sempre oposta a velocidade do disparo do mercúrio líquido de forma não proporcional.

Discussão: Contudo, o mecanismo poderia representar um problema de massa a depender de cada espaçonave, uma espaçonave com uma massa superior a 50 toneladas teria problemas em operar esse mecanismo para realizar movimentação espacial, tendo em vista que quase a mesa-tenista de sua massa seria composta apenas pelo mecanismo para apenas realizar uma atividade de propulsão secundário, com a massa dos 10 mecanismo, contando com o encanamento principal, sistemas de sucção de separação líquido-gás, encanamento paralelo, câmara de disparo pneumático e tanque de armazenamento de fluidos, poderia fazer um conjunto de 10 mecanismo pesarem por volta de 10 a 15 toneladas, oque em termos práticos torna o mecanismo pouco eficiente ou interessante para ser instalado em espaçonave de pouca massa, no entanto, este mecanismo pode ser ideal para espaçonaves que tenham mais de 100 toneladas de massa e que precisem de muita força e para conseguir realizar qualquer movimento espacial, com estas espaçonaves além de não terem tanta dificuldade em acomodar todos os 10 mecanismo em sua estrutura sem aumentar excessivamente sua massa, poderiam manobrar toda a massa da espaçonave livremente sem se preocupar com o combustível necessário para fazer tal massa girar a uma determinada velocidade, pois o mecanismo por não consumir combustível nenhum, sempre reutilizando o mercúrio líquido em sucessivos disparos, seria essencial para espaçonaves com uma massa superior a 100 toneladas que tenham uma quantidade limitada de combustível para realizar manobras no espaço.

Com o custo de construção do mecanismo sendo relativamente em relação aos custos de construção da espaçonave na qual seria instalado, com a parte mais cara do mecanismo sendo o sistema de sucção de separação líquido-gás, que pode custa mais de 500 mil dólares, com a segunda parte mais cara do mecanismo sendo o tanque de armazenamento de fluidos, que no caso deste mecanismo poderia custar até 25 mil dólares, com o resto da estrutura de cada mecanismo podendo somar junto com o sistema de sucção de separação líquido-gás e o tanque de armazenamento de fluidos juntos por volta de 1 milhão de dólares por mecanismo, com 10 mecanismo em funcionamento em uma única espaçonave podendo chegar a casa dos 10 milhões de dólares, tendo em vista a maior parte do trabalho e movimento do mecanismo seriam gerados graças ao sistema de sucção de separação líquido-gás e o tanque de armazenamento de fluidos, com o restante do mecanismo como a câmara de disparo pneumática, o encanamento principal e o encanamento paralelo tendo custos apenas estruturais e não custos tecnológicos, fazendo com que o valor de um sistema completo destes mecanismo se estabilize em 10 milhões de dólares, oque comparado com o valor de uma espaçonave que pode chegar a largos bilhões de dólares, e um valor aceitável a se pagar por um mecanismo que não consome combustível algum.

No entanto a logística é custos de construção de um único mecanismo utilizado não para realizar manobras espaciais, mais sim parar ser usado como o principal meio de propulsão de uma espaçonave, não seriam tão complexos e caros em comparação com a utilização de múltiplos mecanismo para a realização de manobras no espaço, com um único mecanismo responsável por impulsionar a espaçonave, não precisando necessariamente ter a massa de dez mecanismos afim de gerar um impulso maior para a espaçonave, com este mecanismo precisando ter apenas 2 vezes mais massa e tamanho, com o fator que irá determinar a velocidade que o mecanismo irá alcançar sendo a pressão gerada em seu interior a cada disparo, com a pressão podendo ser aumentada drasticamente conforme o volume da câmara de disparo pneumática e diminuído e a quantidade de gás CO2 empregada em cada disparo é aumentada, com esse aumento na quantidade de CO2 empregado em cada disparo junto a uma maior estrutura do mecanismo sendo responsáveis pelo dobro de massa em relação à um mecanismo menor usado para manobrar espaçonaves, com o dobro do tamanho do mecanismo sendo necessário pois como o mercúrio líquido teria uma velocidade maior após ser disparado em um mecanismo de propulsão principal, consequentemente ele precisaria de mais sistemas de sucção de separação líquido-gás afim de dissipar o mercúrio líquido totalmente durante sua passagem pelo encanamento principal, com o custo deste mecanismo para propulsão principal podendo chegar entre 2 milhões e 2,5 milhões de dólares, contudo esses valores podem variar significativamente de mecanismo para mecanismo a depender das necessidades de cada espaçonave.

Conclusão: O mecanismo de movimento espacial interno e uma tecnologia que tem o potencial de mudar para sempre o modo com o qual espaçonaves realizam manobras no espaço, com este mecanismo podendo até mesmo em algumas situações servi como um meio de propulsão principal para estas espaçonaves a um baixo custo, pois desde da era da corrida Espacial, o único meio que possibilitava espaçonaves realizarem manobras no espaço era e ainda continua sendo o RCS, que embora possa ter atualizo e melhorado ao longo das décadas, já se trata de um sistema obsoleto que é inadequado para espaçonaves pesadas que possam realizar viagens longas pelo espaço devido a sua necessidade de consumo de combustível para realizar simples manobras espaciais, com o mecanismo apresentado neste artigo tendo capacidades e as vantagens necessárias como não consumir absolutamente nada de combustível, para substituir o já antigo sistema de RCS em espaçonaves com mais de 100 toneladas de massa, pois como humanos sabemos que as necessidades de nossa espécie moldam a forma com a qual nos vemos e fabricamos nossas tecnologias, com essa necessidade em específico da nossa engenharia de espaçonaves determinando o futuro inevitável do mecanismo de movimento espacial interno (MMEI) para sempre.

Referências:

-Otto von guericke, .bomba de vácuo. Universidade de Leipzig, universidade de laiden, 1650.

-Bernoulli, D. (1738). Hydrodynamica. Paris: In Academia Scientiarum.

-Albert A. Person Robert W. (1961). Fluid Mechanics in Low Gravity. Journal of Applied Physics.