Como funcionam os motores de foguetes

Autor: 
Marshall Brain

Uma das missões mais incríveis que o homem já empreendeu foi a exploração espacial, de assombrosa complexidade. A exploração espacial é complicada porque existem muitos problemas a resolver e obstáculos a superar - coisas como:

  • o vácuo do espaço;
  • problemas com gerenciamento do calor;
  • a dificuldade da reentrada;
  • a mecânica orbital;
  • micrometeoritos e detritos do espaço;
  • radiação solar e cósmica;
  • a logística de como ter um banheiro em um ambiente sem gravidade.

Mas o maior problema de todos é conseguir energia suficiente para simplesmente tirar a aeronave do solo. É aí que entram os motores dos foguetes.

Os motores dos foguetes são, por um lado, tão simples que você poderia montar e voar em seu próprio modelo de foguete sem gastar muito (veja os links na última página do artigo para mais detalhes). Por outro lado, os motores de foguetes e seus sistemas de combustível são tão complicados que somente 3 países conseguiram colocar pessoas em órbita. Neste artigo, vamos dar uma olhada nos motores dos foguetes para entender como funcionam, bem como para compreender um pouco da complexidade que os rodeia.

O básico

Quando a maioria das pessoas pensa a respeito de motores, lembra de rotação. Por exemplo, o motor a gasolina de um carro produz energia rotacional para mover as rodas. Um motor elétrico produz energia rotacional para girar um ventilador ou fazer girar um disco. Um motor a vapor é usado para fazer o mesmo que faz uma turbina a vapor e a maioria das turbinas a gás.

Os motores dos foguetes são radicalmente diferentes, pois são de reação. O princípio básico no qual se baseia o motor de um foguete é o famoso princípio newtoniano segundo o qual "a cada ação corresponde uma reação de igual intensidade e sentido contrário". Um motor de foguete está jogando massa para um sentido e se beneficiando da reação que ocorre no sentido oposto como resultado.

Esse conceito de "jogar massa e se beneficiar da reação" pode ser difícil de assimilar a princípio porque não é isso que parece estar acontecendo. Veja os exemplos a seguir para ter uma idéia melhor da realidade.

  • Se você já atirou com uma espingarda, especialmente uma grande de calibre 12, então sabe que o "coice" é bem forte. Esse coice é uma reação. Uma espingarda atira com cerca de 30 gramas de metal em um sentido a aproximadamente 1.100 km/h ,e seu ombro sente o impacto da reação. Se você estivesse usando patins ou um skate ao atirar com a arma, ela estaria atuando como um motor de foguete e você reagiria rolando no sentido oposto.
     
  • Se você já teve a oportunidade de ver uma mangueira de incêndio dessas grandes jogando água, deve ter notado que é necessário usar muita força para segurar a mangueira (às vezes, são necessários 2 ou 3 bombeiros). A mangueira está atuando como um motor de foguete. Ela está jogando água em uma direção e os bombeiros estão usando sua força e peso para contrabalançar a reação. Se eles soltassem a mangueira, ela ficaria batendo em tudo a sua volta com uma força tremenda. Se os bombeiros estivessem em skates, a mangueira iria empurrá-los para trás em grande velocidade.
     
  • Quando você enche uma bexiga e deixa que ela voe por toda a sala, está criando um motor de foguete. Nesse caso, o que está sendo jogado são as moléculas de ar que estão dentro da bexiga. Muitas pessoas acreditam que as moléculas de ar não pesam nada, mas elas têm peso (veja a página sobre o hélio para ter uma melhor noção do peso do ar). Quando elas saem pela boca da bexiga, o resto da bexiga reage no sentido oposto.

Ação e reação: o cenário da bola de beisebol espacial

Imagine a seguinte situação: você está usando um traje espacial, está flutuando no espaço ao lado do ônibus espacial e tem uma bola de beisebol em sua mão.

Se você arremessar a bola de beisebol, seu corpo vai reagir indo para o lado oposto ao da bola. O que controla a velocidade com a qual seu corpo se afasta é o peso da bola que você arremessa e a quantidade de aceleração aplicada a ela. A massa multiplicada pela aceleração é igual à força (f = m * a). Qualquer que seja a força aplicada à bola de beisebol, ela será equalizada por uma força de reação idêntica aplicada a seu corpo (m * a = m * a). Então, vamos dizer que a bola tenha 0,5 kg e seu corpo e o traje espacial juntos tenham 50 kg. Você arremessa a bola a uma velocidade de aproximadamente 10 m/s (36 km/h). Isso quer dizer que você acelera a bola de beisebol de 0,5 kg com seu braço para que ela ganhe uma velocidade de 36 km/h. Seu corpo reage, mas ele tem 100 vezes mais massa do que a bola. Portanto, ele se afasta a um centésimo da velocidade da bola de beisebol ou a 0,1 m/s (0,36 km/h). 

Se você quiser gerar mais empuxo para sua bola de beisebol,  tem 2 opções: aumentar a massa ou aumentar a aceleração. Você pode arremessar uma bola mais pesada, atirar várias bolas uma após a outra (aumentando a massa) ou arremessar a bola mais rápido (aumentando sua aceleração). Mas isso é tudo o que você pode fazer.


Foto cedida pela NASA
Uma câmera a distância capta uma vista em primeiro plano do motor principal do ônibus espacial durante um teste de ignição no Centro Espacial John C. Stennis, em Hancock County, Mississippi, nos EUA

O motor de foguete geralmente está jogando massa na forma de um gás a alta pressão. O motor joga a massa de gás para fora em uma direção para obter uma reação no sentido oposto. A massa vem do peso do combustível que o motor do foguete queima. O processo da combustão acelera a massa do combustível, de forma que saia do bico do foguete em alta velocidade. O fato de que o combustível se transforma de sólido ou líquido em gás quando queima não altera sua massa. Se você queimar 0,5 kg de combustível de foguete, 0,5 kg de descarga sai pelo bico na forma de gás em alta temperatura e velocidade. A forma é alterada, mas a massa não. O processo de combustão acelera a massa.

A seguir, vamos aprender mais sobre empuxo.