Princípios básicos sobre as railguns

Basicamente, uma railgun é um grande circuito elétrico composto por três partes: uma fonte de energia, um par de trilhos (rails, em inglês, daí o nome "railgun") paralelos e uma armação móvel. Vamos dar uma olhada mais detalhada em cada uma dessas partes.

A fonte de alimentação não é nada mais do que uma fonte de corrente elétrica. Normalmente, a corrente usada em railguns de calibres médios a grandes fica na faixa dos milhares de ampères. 

Os trilhos são extensões de metal condutivo, como o cobre, que podem ter de 1 a 9 metros de comprimento.

A armação é a responsável por unir os trilhos e pode ser feita com um pedaço maciço de metal condutivo ou uma armadura (um recipiente que abriga um dardo ou qualquer outro projétil) condutiva.. Algumas railguns usam uma armação de plasma. Nesse caso, uma fina lâmina de metal é colocada na parte traseira de um projétil não condutivo. Quando a energia passa por essa lâmina, ela evapora e se torna plasma, que transporta a corrente.

Veja como todas as peças funcionam juntas:

Uma corrente elétrica flui do terminal positivo da fonte de alimentação, passa pelo trilho positivo, atravessa a armação e volta pelo trilho negativo até a fonte de alimentação.

Quando a corrente passa por um fio cria um campo magnético ao seu redor, que é a região na qual a força magnética pode ser sentida. Esta força tem magnitude e sentido. Em uma railgun, os dois trilhos funcionam como fios, com um campo magnético circulando ao redor de cada um. As linhas de força do campo magnético se distribuem em círculos no sentido anti-horário ao redor do trilho positivo e no sentido horário ao redor do trilho negativo. O campo magnético resultante entre os dois trilhos tem uma direção vertical.

Assim como um fio carregado em um campo elétrico, o projétil sente uma força conhecida como força de Lorentz, em homenagem ao físico holandês Hendrik A. Lorentz. Essa força de Lorentz é perpendicular ao campo magnético e à direção da corrente que passa pela armação. Você pode ver como isso funciona no diagrama abaixo.

Repare que a força de Lorentz é paralela aos trilhos e age afastando o projétil da fonte de alimentação. A magnitude da força é determinada pela equação F = (i)(L)(B), na qual F é a força resultante, i é a corrente, L é a extensão dos trilhos e B é o campo magnético. De acordo com a equação, para aumentar a força basta aumentar a extensão dos trilhos ou a quantidade da corrente.

Como trilhos longos criam problemas no design, a maioria das railguns usa correntes fortes (da ordem de milhões de ampères) para gerar grandes quantidades de força. O projétil, sob o efeito da força de Lorentz, acelera até o final dos trilhos, no sentido oposto ao da fonte de alimentação, e sai pela abertura. Então, o circuito é quebrado e encerra o fluxo da corrente.

Roubando energiaAs railguns precisam de correntes enormes para disparar projéteis a velocidades de Mach 5 ou até mais altas. Mas isso é um problema para os navios de guerra tradicionais, porque não é possível tirar a energia do sistema de propulsão da embarcação. Já na próxima geração de navios de guerra, o DD(X) totalmente elétrico, a produção desse tipo de corrente será possível. Para disparar o projétil utilizando uma railgun, a energia teria de ser desviada do motor do navio para a torre de canhão, que dispararia até seis unidades por minuto, pelo tempo que fosse necessário e, então, a energia seria desviada de volta ao motor.