Vencedor do concurso de bolsa de estudos universitária de US$ 1.000 da SAM em 2019

O concurso de bolsas de estudo universitárias de US$ 1.000 da Stanford Advanced Materials de 2019 terminou no mês passado com um número recorde de inscrições de estudantes. Parabéns ao vencedor:

Charles Boyle
Universidade do Texas em Austin

Os participantes foram solicitados a escrever uma redação para compartilhar sua experiência com materiais avançados na vida e falar sobre o impacto que terão no futuro.

Recebemos mais de 200 inscrições de estudantes dos EUA e Charles ficou em primeiro lugar. Ele levou para casa US$ 1.000 por ter compartilhado sua experiência bacana e suas ideias ponderadas sobre Metais Refratários na redação, que publicamos aqui com sua permissão:

Charles Boyle

No início de 2018, comecei o que logo se tornaria a experiência mais legal da minha vida: um estágio de primavera no Laboratório de Propulsão Verde do Marshall Space Flight Center da NASA. Durante esse estágio, estive envolvido em dois projetos principais: o projeto e a fabricação do primeiro sistema de carregamento de monopropelente "verde" de baixa toxicidade da NASA para abastecimento de espaçonaves, bem como o projeto de um módulo de pressurização CubeSat otimizado para interface de propelente verde. Por meio dessas duas experiências, obtive uma compreensão profunda das vantagens que os sistemas de propulsão verde têm sobre os sistemas atuais de monopropelente de hidrazina, bem como dos problemas que impedem o uso generalizado de propelente verde em missões de espaçonaves.

Com base em minha experiência na NASA, descobri que um dos problemas, se não o principal, associado aos propulsores verdes é simplesmente as temperaturas que eles exigem para a combustão adequada. Materiais comuns que são amplamente utilizados em conjuntos de câmaras de combustão não suportam as temperaturas excessivamente altas associadas à decomposição térmica do propelente verde. Apesar dos vários benefícios que os propelentes verdes oferecem em relação aos monopropelentes tradicionais - ou seja, menor toxicidade, maior densidade de impulso, manuseio mais fácil - se os materiais comuns não puderem sobreviver à alta temperatura e/ou ao ambiente de combustão oxidativa associado aos propelentes verdes, esses sistemas de propulsão se tornarão impossíveis.

É aí que entram os metais refratários. O futuro da propulsão verde está no avanço das técnicas de fabricação de metal refratário (RM). Os metais refratários, como o irídio e o rênio, são de extrema importância para o projeto de um propulsor de propelente verde, pois são alguns dos poucos materiais que podem suportar as temperaturas associadas à decomposição térmica sustentada do propelente verde. No entanto, seus métodos de fabricação caros e oportunos limitaram o uso de sistemas de propulsão verde a algumas missões selecionadas. Além disso, o uso atual de metais refratários em sistemas de propelente verde é, em sua maior parte, limitado à fabricação subtrativa. As técnicas de manufatura aditiva associadas a metais refratários, como a impressão de bicos de rênio em um leito de impressão DMLS, são relativamente inexploradas. Portanto, o desenvolvimento de técnicas de manufatura subtrativa de RM mais baratas, bem como de técnicas confiáveis de manufatura aditiva de RM, poderia mudar completamente o campo dos sistemas de propulsão de satélites. Esses recursos de fabricação de RM permitiriam que os sistemas monopropelentes verdes substituíssem completamente os sistemas monopropelentes atuais, como os propulsores de hidrazina, o que, por sua vez, reduziria drasticamente a toxicidade média do sistema de propulsão monopropelente e aumentaria significativamente sua densidade de impulso.

Por que isso é importante? Apesar de ser uma questão técnica muito específica dentro das ciências propulsivas, os metais refratários terão um grande impacto no setor aeroespacial quando suas técnicas de fabricação associadas se tornarem mais eficientes. O principal benefício que os propelentes verdes oferecem é a maior densidade de impulso ou, em outras palavras, o maior impulso que os propelentes podem fornecer a uma espaçonave por unidade de volume de propelente. Esse não é um detalhe técnico pequeno. Uma maior densidade de impulso pode fazer a diferença entre a aceitação ou rejeição de uma missão inovadora em sua fase de projeto de missão. Em outras palavras, ter um excedente de densidade de impulso pode, de forma muito realista, ser o fator final que permite que uma missão avance e, por fim, transforme em realidade o que antes era ficção científica.

Por exemplo, a missão que se acredita ser o empreendimento astronáutico mais crítico da próxima década é a missão de retorno de amostras de Marte (MSR). A área da missão que exige a engenharia mais avançada é o MAV (Martian Ascent Vehicle, veículo de ascensão marciana). O MAV é a espaçonave que elevará a amostra da superfície marciana à órbita marciana. Obviamente, esse tipo de lançamento nunca foi feito antes. A maioria das tentativas de projetar um MAV usa sistemas de propulsão sólidos, híbridos ou monopropelentes para levar a carga útil à órbita, e a arquitetura de propulsão proposta para o MAV geralmente não é capaz de fornecer o impulso necessário para levar a carga útil à órbita marciana. É exatamente assim que o uso de metais refratários pode levar ao sucesso de uma das missões mais importantes que a humanidade já realizou. Com o avanço das técnicas de fabricação de MR até o ponto em que os RMs poderiam ser usados no projeto de um sistema de propulsão MAV "verde" e de alto desempenho, isso poderia permitir o sucesso de uma missão MSR, levando os seres humanos um passo mais perto de pisar na superfície marciana.

Assim como os brilhantes engenheiros aeroespaciais que vieram antes de mim, quero que os produtos do trabalho de minha vida lancem seres humanos e robôs para além da órbita da Terra, em corpos celestes intocados. Para realizar esse sonho, a humanidade precisa primeiro criar sistemas de propulsão de última geração acessíveis e confiáveis. Os metais refratários são o elemento-chave que permitirá que os atuais sistemas monopropelentes de hidrazina se transformem em sistemas de propulsão ecológicos mais eficientes e confiáveis. Esses sistemas de propulsão ecológicos acabarão revolucionando o campo de propulsão de pequenos satélites e permitirão que a humanidade atinja as metas mais elevadas para o futuro da exploração espacial.

Referência: Cavender, D. P., Marshall, W. M., & Maynard, A. P. (n.d.). 2018 NASA Green Propulsion Technology Development Roadmap (Roteiro de desenvolvimento da tecnologia de propulsão verde da NASA).

Ótimo trabalho, Charles! Desejo-lhe muitas felicidades em sua carreira universitária e no futuro.