Professor da UFABC desenvolve combustível “green” para veículos espaciais

Pesquisa internacional, em parceria Brasil / China, busca propelente alternativo à hidrazina 

Uma pesquisa liderada pelo Prof. Dr. Fábio Antônio da Silva Mota, do Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas da UFABC, realizada na Universidade Jiaotong de Xi'an (China), tem desenvolvido uma série de combustíveis green para aplicação espacial.

Esses novos combustíveis – denominados PAHyp (Polyamine/Alkanolamine-based Hypergolics) – apresentam vantagens consideráveis em relação aos demais, como alto desempenho, facilidade de produção, baixo custo e resistência à degradação. 

Segundo o professor, green, nesse contexto, refere-se à ausência de toxicidade, e não à emissão de dióxido de carbono (CO₂). “Na área espacial, hidrazina e seus derivados são os propelentes-padrão para satélites e sondas espaciais – usados desde o início da corrida espacial, inclusive no projeto Apollo –, mas têm a grande desvantagem de serem extremamente tóxicos e causarem câncer, o que também encarece todo o processo de manuseio do produto. Caso haja vazamentos de propelentes, as medidas de segurança exigem o evacuamento da área, o que também pode causar atrasos em testes e lançamento ”, explica.

Já foram produzidos sete artigos científicos a respeito dessa pesquisa (três já publicados e quatro em revisão), além de um pedido de patente, depositado no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) pela Agência de Inovação da UFABC.*

Os combustíveis já estão sendo testado também no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). "Inclusive, o aluno de doutorado Gabriel S. Dias, que conduziu experimentos no INPE, encontra-se atualmente na Universidade Jiaotong de Xi'an para um período de doutorado sanduíche. Com o sucesso das cooperações entre UFABC, XJTU e INPE, esperamos mais mobilidade acadêmica para os próximos anos", afirma.

Em breve, será submetida uma proposta para que sejam testados, também, no laboratório de combustão da Estação Espacial Chinesa, para estudos de combustão em microgravidade. Brasil e China já possuem uma cooperação de longa data no desenvolvimento de satélites CBERS, porém, de acordo com o pesquisador, “o sistema propulsivo desenvolvido pelos chineses usa ainda a temida hidrazina”. 


Sobre a pesquisa 


Embora os veículos elétricos tenham se espalhado por todos os meios de transporte, a combustão, que acontece quando há três ingredientes – combustível, oxidante e fonte de ignição – ainda é necessária para mover aeronaves comerciais, foguetes e veículos espaciais que necessitam de alto empuxo.

Por mais de seis décadas, os combustíveis à base de hidrazina (monometil-hidrazina, MMH; e dimetil-hidrazina assimétrica, UDMH), combinados com o oxidante tetróxido de nitrogênio (NTO) têm sido os propelentes-padrão para a propulsão espacial. Além de serem líquidos à temperatura ambiente e bastante estáveis, MMH/NTO e UDMH/NTO possuem a característica especial de iniciar a reação de combustão espontaneamente (ou de forma hipergólica) à temperatura ambiente, quando entram em contato na câmara de combustão.

A ignição espontânea é importante porque elimina a necessidade de um sistema de ignição, o que reduz substancialmente a complexidade – sistemas de ignição tradicionais usados em carros ou aeronaves, por exemplo, não funcionam no vácuo espacial –, aumentando a confiabilidade do sistema. No entanto, são extremamente tóxicos (chegam a ser letais em pouco tempo de exposição aos vapores de algum possível vazamento, além de serem cancerígenos), o que torna os testes, manuseio e preparação de lançamentos mais perigosos, complexos e, portanto, mais caros.

Para potenciais aplicações práticas, propelentes alternativos devem atender a vários requisitos, tais como: baixo tempo de atraso de ignição (IDT < 30 ms), baixa viscosidade (< 30 cP), boa estabilidade química (duração de vários meses ou anos, sem degradação) e desempenho comparável aos tradicionais tóxicos, à base de hidrazina. Nas últimas décadas, centenas de combinações hipergólicas foram reportadas em artigos científicos e patentes, mas nenhuma conseguiu preencher todos os requisitos.

Atualmente, a grande maioria das pesquisas tem se concentrado em usar líquidos iônicos como combustível, e ácido nítrico concentrado ou peróxido de hidrogênio como oxidante. Entretanto, líquidos iônicos são extremamente caros (chegam a custar milhares de dólares por litro), apresentam alta viscosidade (o que dificulta o bombeamento e a atomização), possuem baixa estabilidade química (a maioria apresenta degradação em um ou em poucos meses – o que é uma grande desvantagem para missões de longo prazo, que podem durar vários anos), além de outros fatores, o que deixa esses compostos relativamente afastados de potenciais aplicações.

A referida pesquisa, coordenada pelo Prof. Dr. Fábio Antônio da Silva Mota (UFABC), por sua vez, apresenta novos combustíveis hipergólicos não tóxicos, chamados PAHyp (do inglês Polyamine/Alkanolamine-based Hypergolics), usando peróxido de hidrogênio altamente concentrado (mais conhecido pela sigla HTP, do inglês High Test Peroxide) como oxidante para foguetes e satélites. Essa nova estratégia de desenvolvimento de pares hipergólicos permitiu a descoberta de quatro formulações promissoras até o momento:

PAHyp 0
PAHyp 1
PAHyp 2
PAHyp 3

Esses novos combustíveis apresentam vantagens consideráveis em relação aos reportados na literatura, como alto desempenho, facilidade de produção, baixa custo e resistência à degradação. Amostras de PAHyp 1 armazenadas em recipientes com ar já duram mais de 18 meses, sem nenhuma degradação observada, por exemplo.

O pesquisador acredita que esses novos compostos são alternativas promissoras para substituir, ao menos parcialmente, os atuais propelentes letalmente tóxicos à base de hidrazina – apesar de ainda haver um longo caminho a ser percorrido. 

* Publicações e patente

[1] Mota FAS, Fei L, Tang C, Huang Z, Costa FS. Hypergolic ignition behaviors of green propellants with hydrogen peroxide: The TMEDA/DMEA system. Fuel 336 (2023) 127086.

[2] Mota FAS, Liu M, Mohsen AAA, Yao X,  Mai Z, Tang C. Development of Polyamine/Alkanolamine-based Hypergolics with Hydrogen Peroxide: A New Route to N-Methylimidazole with MDEA as a Promising Green Fuel. Fuel 357 (2024) 129798

[3] Mota FAS, Jiang J, Liu M, Fei L, Tang C. Hypergolic Green Propellants Based on Novel Polyamine/Alkanolamine-based Fuels with Hydrogen Peroxide for Propulsion Systems (aceito para publicação em AIAA Journal of Propulsion and Power).

[4] Mota FAS, Zhang Y, Wei Y, Zhang P, Tang C. Hypergolic ignition of TMEDA/N-Methyldiethanolamine with hydrogen peroxide: drop tests and acoustically levitated droplet collision. (em revisão)

[5] Mota FAS, Dias GS, Fei L, Liu M, Tang C. High-speed multi-spectral imaging of ignition and combustion characteristics of a new hypergolic rocket fuel in an impinging jet apparatus. (em revisão)

[6] Mota FAS, Dias GS, Machado DA, Andrade JC, Costa FS, Lihan F, Tang C. Characterization of the Hypergolic Ignition of Green Fuels with Hydrogen Peroxide by Drop Test and Impinging Jet Test (em revisão)

[7] Mota FAS e Tang C. Bipropelente hipergólico não tóxico com sistema combustível promovido cataliticamente e uma solução de peróxido de hidrogênio oxidante, e uso do mesmo. Pedido de patente depositado no INPI.

Texto: Assessoria de Comunicação e Imprensa da UFABC e Prof. Dr. Fábio Antônio da Silva Mota (UFABC)