Motor iônico (MEC071)

Uma das formas mais promissoras (e já usada na prática) de propulsão de naves especiais de longo alcance é a que faz uso de motores iônicos. Não são motores químicos nem nucleares, podendo funcionar por muitos anos seguidos e, além disso, o que é mais importante: levar a uma nave à velocidades fantásticas, da ordem de milhares de quilômetros por segundo. Não vamos ensinar o leitor a montar o motor "de verdade" que possa levar um foguete no espaço, pois esses motores só funcionam bem no vácuo, no entanto, podemos montar uma miniatura que funciona na atmosfera e que pode fazer um modelo de nave mover-se de uma forma muito interessante.

 

 

Foto do protótipo montado pelo autor.
Foto do protótipo montado pelo autor.

 

A NASA já usada motores iônicos para posicionar satélites em órbitas ou ainda fazer mudanças de trajetórias, já que os tipos que existem atualmente são de pequena potência. No entanto, as pesquisas prometem elevar a potência desses motores a ponto deles poderem ser usados em naves maiores que possam explorar regiões até mesmo fora do sistema solar.

O que vamos propor neste artigo é a montagem de um motor iônico em miniatura que propulsiona uma pequena nave de modelo, fazendo-a girar num suporte. Trata-se de um excelente projeto decorativo, didático e até mesmo experimental se o leitor deseja fazer pesquisas aumentando a capacidade de propulsão deste tipo de motor.

Como o circuito trabalha com tensões muito elevadas, que podem chegar aos 20 000 volts ou mais, recomendamos que os leitores tenham o máximo de cuidado no seu uso, nunca tocando em partes vivas quando em funcionamento, principalmente na nave e no motor.

Para que o leitor saiba exatamente o que vamos montar, devemos partir do princípio de funcionamento dos motores iônicos.

 

Motores Iônicos

Existem dois tipos de motores iônicos, ambos baseados no conhecido "efeito das pontas" amplamente estudadas nos cursos de eletrostática.

Quando carregamos uma esfera condutora, conforme mostra a figura 1, as cargas elétricas tendem a se distribuir na sua superfície de maneira uniforme.

 

Distribuição uniforme de cargas.
Distribuição uniforme de cargas.

 

O campo elétrico produzido pelas cargas não tem uma intensidade linear. Se a densidade das cargas dobrar, a intensidade do campo fica multiplicada por 4.

Essa não linearidade, somada ao efeito pelicular (as cargas ficam na superfície do corpo) fazem com que as cargas se acumulem nas regiões pontiagudas, ou seja, de maior curvatura.

Assim, se o corpo carregado for alongado ou seja, tiver uma região de maior curvatura, a ação do campo elétrico criado pelas próprias cargas faz com que elas tenham uma concentração maior justamente nas regiões pontas, conforme mostra a figura 2.

 

Concentração maior de cargas nas regiões de ponta.
Concentração maior de cargas nas regiões de ponta.

 

Nessas regiões as forças de repulsão entre as cargas são muito maiores o que significa um fenômeno adicional se a curvatura ou ponta do objeto for muito aguda.

Existe um limite para a capacidade de retenção das cargas pelo objeto. Se houver uma concentração excessiva dessas cargas, ou seja, o potencial for muito elevado, e conseqüentemente a força de repulsão, as cargas podem escapar, conforme mostra a figura 3.

 

Cargas
Cargas "escapando".

 

Se o objeto estiver no ar (na atmosfera) as cargas que escapam ionizam o ar ambiente e os íons criados, por terem a mesma polaridade das cargas acumuladas na ponta são repelidos. Surge então uma força de repulsão que em contrapartida, gera uma forma reativa que tende a empurrar o corpo carregado para o lado oposto, conforme mostra a figura 4.

 

Corpo carregado sendo empurrado.
Corpo carregado sendo empurrado.

 

Cria-se então um fluxo de íons que lançado numa direção empurra o corpo carregado na direção oposta. Esse é justamente o princípio de funcionamento de um motor iônico do tipo

Esse é o princípio de funcionamento do motor iônico de Plasma, que é justamente o que vamos montar. As cargas ionizam o ar nas proximidades do eletrodo pontiagudo, levando-o a um estado de condução, ou seja, de plasma. Os íons são produzidos e repelidos gerando a força de propulsão.

Outro tipo de motor iônico muito interessante, que o leitor pode desenvolver a partir do mesmo circuito é o E.H.D. ou Electro-Fluid-Dynamics.

Nesse tipo de motor, conforme mostra a figura 5, lembra muito o princípio segundo o qual se obtém a sustentação de um avião baseado no perfil da asa.

 

Princípio segundo o qual se obtém a sustentação de um avião baseado no perfil da asa.
Princípio segundo o qual se obtém a sustentação de um avião baseado no perfil da asa.

 

Carregando-se um corpo condutor de formato alongado, as cargas se distribuem de tal maneira que tendem a carregar o ar em sua volta por indução, aparecendo assim uma força que o movimenta. Forma-se então em torno do corpo uma região com valores diferentes de pressão capaz de movimentar o ar e gerar assim a força propulsora. Na figura 6 mostramos o que ocorre num modelo que faz uso este tipo de motor.

 

Esquema do E.H.D.
Esquema do E.H.D.

 

Veja que a diferença em relação ao motor de plasma é que não temos a ionização. A simples presença das cargas no corpo cria a força propulsora sem a ionização.

Para este tipo de motor, o problema maior está na sua operação no espaço em que não existe ar. No vácuo, como não existe nenhum gás para fornecer os íons que devem ser expelidos, o que se faz é injetar na ponta carregada uma pequena quantidade de gás, conforme mostra a figura 7.

 

Injetando na ponta carregada uma pequena quantidade de gás.
Injetando na ponta carregada uma pequena quantidade de gás.

 

Veja que o gás não é o combustível neste caso (nada queima). O gás apenas fornece os íons que serão repelidos para gerar a força propulsora.

A velocidade com que os íons são repelidos num foguete que use esse princípio é enorme. Pode chegar a mais de 80 000 km/s, ou seja, 1/3 da velocidade da luz!

No entanto, a força propulsora obtida é muito pequena, o que significa que na prática um motor iônico tem uma velocidade teórica de no máximo uns 100 000 km/h e mesmo assim atingida depois de um longo tempo de aceleração.

O importante no sistema é que se pode usar um gerador atômico para produzir altas tensões e o gás usado, que é em pequena quantidade, pode durar anos numa nave. Isso permite que esse tipo de propulsão seja interessante para naves que devam explorar regiões distantes do espaço, como as fronteiras do sistema solar, onde uma viagem demora dezenas de anos. A NASA tem diversos projetos desse tipo em andamento.

Se bem que a propulsão iônica seja viável para aplicações no espaço, na atmosfera a resistência do ar e a pequena força obtida impedem que ela tenha ainda uma aplicação prática importante.

Apenas objetos de poucas gramas podem ser movimentados, mesmo utilizando tensões da ordem de dezenas de milhares de volts, como ocorre com nosso protótipo.

 

Como Funciona

Nosso motor iônico aproveita o efeito das pontas. Temos um circuito gerador de muito alta tensão (MAT) que produz entre 10 000 e 20 000 volts, o suficiente para criar um fluxo de íons na ponta de um alfinete.

Na figura 8 temos o diagrama de blocos da parte eletrônica do projeto.

 

Diagrama de blocos da parte eletrônica do projeto.
Diagrama de blocos da parte eletrônica do projeto.

 

Na entrada temos uma fonte de alimentação que faz uso de um transformador com secundário de 12 V ou 13,2 V com corrente de 3 A ou mais.

A tensão do secundário do transformador é retificada e filtrada obtendo-se assim a tensão contínua necessária à alimentação do circuito inversor.

O circuito inversor consiste num oscilador Hartley com um transistor de alta tensão e alta potência do tipo MJ15003. Este transistor pode fornecer uma potência de algumas dezenas de watts num circuito inversor, o que é suficiente para a finalidade do projeto.

Neste oscilador Hartley a bobina que determina basicamente a sua freqüência de operação é o enrolamento primário de um transformador de alta tensão do tipo "flyback" encontrado em monitores e televisores comuns. A freqüência, entretanto pode ser sensivelmente alterada pelo circuito de realimentação em que usamos um potenciômetro para esta finalidade.

Assim, é possível ajustar no potenciômetro a freqüência que resulte no melhor rendimento na produção de alta tensão e portanto na força do motor. Podemos dizer que esse potenciômetro atua como uma espécie de acelerador para o motor.

Dada a corrente elevada que circula neste ponto do circuito, tanto o transistor precisa de um bom radiador de calor como o resistor de realimentação e o próprio potenciômetro devem ser tipos de fio.

A alta tensão obtida no transformador de saída horizontal ou flyback é aplicada ao motor propriamente dito que nada mais é do que um eletrodo pontiagudo fixado na nave em miniatura, conforme mostra a figura 9.

 

Eletrodo pontiagudo fixado na nave em miniatura.
Eletrodo pontiagudo fixado na nave em miniatura.

 

Usamos no nosso protótipo uma pequena lâmpada neon para simular a nave, pois a alta tensão faz com que o gás no seu interior se ionize e com isso ela acende com uma luz alaranjada.

Uma possibilidade interessante consiste em se obter miniaturas de naves especiais como a Enterprise (Startrek) ou o Pod Race (Guerra nas Estrelas) e outros. Evidentemente, como a força propulsora obtida é muito baixa, a miniatura da nave deve ser extremamente leve para se conseguir seu movimento.

Justamente para reduzir ao máximo o atrito é que a suspensão de todo o sistema em que temos a nave e o motor iônico é feita na ponta de um alfinete ou agulha, tudo de forma muito bem equilibrada, conforme detalharemos na parte construtiva.

 

Montagem

Começamos por dar o diagrama completo da parte eletrônica do motor na figura 10.

 

Diagrama de blocos da parte eletrônica do projeto.
Diagrama de blocos da parte eletrônica do projeto.

 

Para alojar o circuito usamos uma caixa de madeira, to tipo usado para guardar fichas em escritórios com dimensões a partir de 18 x 18 cm. Vai influir muito nas dimensões mínimas da caixa, o tamanho do transformador e do flyback, além do radiador de calor. Para maior folga na instalação dos componentes, sugerimos o uso de uma caixa de 22 x 22 cm. Não recomendamos o uso de caixas de outros materiais, principalmente metal, dada a possibilidade de fuga das altas tensões geradas.

Além disso, existe a questão da segurança: lembramos que o circuito opera com tensões de dezenas de milhares de volts. Se bem que a corrente seja muito baixa, os choques são bastante desagradáveis se alguém tocar em alguma parte viva do circuito.

Como os poucos componentes usados são grandes, exceto dois capacitores e um resistor, não há necessidade de se usar placa de circuito impresso. Os pequenos componentes são soldados numa ponte de terminais isolados.

O transformador de saída horizontal (TSH) usado ou Flyback (T2) foi aproveitado de um televisor antigo fora de uso. Esse tipo de componente ainda pode ser encontrado com relativa facilidade nas lojas de componentes eletrônicos. Deve ser escolhido um tipo que não seja blindado e que portanto permita o acesso a parte inferior do núcleo de ferrite onde deve ser enrolado o primário do transformador.

Conforme mostra a figura 11, esse primário consiste em 10 + 10 a 14 + 14 espiras de fio comum rígido fino (22 a 26). Observe que, feita a tomada central, o enrolamento deve continuar no mesmo sentido.

 

Enrolamento primário.
Enrolamento primário.

 

Em muitos transformadores desse tipo existem terminais laterais que não são usados (não existe nenhuma ligação para as bobinas) e que portanto podem ser usados para soldar as pontas desse enrolamento.

O número exato de voltas deve ser obtido experimentalmente em função das características do transformador. Se o leitor notar baixo rendimento do circuito, eventualmente deve alterar o número de espiras.

Na figura 12 mostramos o aspecto da montagem, fora da caixa, evidentemente.

 

Aspecto real da montagem.
Aspecto real da montagem.

 

O capacitor eletrolítico deve ter uma tensão de trabalho de pelo menos 25 V e os demais capacitores são de poliéster para 200 V ou mais.

O resistor e o potenciômetro são de fio (os de carbono não servem dada a corrente intensa do circuito, eles queimariam). O leitor vai notar que esses componentes trabalham aquecidos. Isso é normal.

O transistor de potência deve ser montado num bom radiador de calor. Prefira um tipo que tenha furos de fixação para prendê-lo à caixa. Caso contrário, ele pode ser colado. Tome cuidado para não inverter as ligações dos terminais de base (B) e emissor (E).

A saída de alta tensão do flyback vai ao eletrodo de apoio da nave com o motor. Esse eletrodo nada mais é do que um pedaço de fio rígido com uma agulha comum soldada na ponta.

Um ponto importante na preparação do eletrodo é que no local da soldagem a solda deve ser redonda e lisa. Não podem ficar pontas, pois conforme sabemos, elas vão causar fugas de cargas reduzindo assim o rendimento do motor, conforme mostra a figura 13.

 

Solda correta para que não ocorram fugas de alta tensão
Solda correta para que não ocorram fugas de alta tensão

 

Outro ponto importante a ser observado é que a ligação do fio de alta tensão ao eletrodo não deve encostar em nenhum ponto do circuito internamente, conforme mostra a figura 14. Além de causar perda de rendimento, isso pode ainda provocar a queima de componentes.

 

A ligação do fio de alta tensão ao eletrodo não deve encostar-se a nenhum ponto do circuito internamente.
A ligação do fio de alta tensão ao eletrodo não deve encostar-se a nenhum ponto do circuito internamente.

 

O fio terra é ligado ao terminal do flyback que vai ao ponto mais interno do enrolamento, conforme mostra a figura 15.

 

Ligação do fio Terra.
Ligação do fio Terra.

 

A Nave e o Motor

O ponto mais importante na construção da nave é que ela e o suporte sejam os mais leves possíveis. A força propulsora do motor é da ordem de poucos gramas e qualquer peso adicional ou mesmo ponto de atrito pode impedir o movimento.

Uma sugestão simples de montagem é a mostrada na figura 16 e que adotamos como primeira possibilidade no nosso protótipo.

 

Sugestão de montagem.
Sugestão de montagem.

 

Usamos uma lâmpada neon comum soldada a um pedaço de fio rígido desencapado fino de aproximadamente 35 cm de comprimento. Na outra extremidade, como contrapeso usamos uma bolinha de solda. Observe que não se deve deixar nenhuma ponta neste conjunto, pois ela vai significar perda de cargas e uma força atuante que pode ser contrária ao movimento do motor.

O "motor" propriamente dito é um alfinete soldado num dos terminais da lâmpada neon. Quando em funcionamento o leitor vai observar que a lâmpada neon acende pela ação da alta tensão e no escuro, é possível ver que a ponta do alfinete emite uma leve luz azulada como conseqüência dos íons que estão sendo emitidos.

O apoio foi feito com uma pequena arruela soldada no centro do fio. Essa arruela forma a região rebaixada onde a ponta da agulha do terminal de alta tensão vai ser apoiada, conforme mostra a figura 17.

 

Apoio foi feito com uma pequena arruela soldada no centro do fio.
Apoio foi feito com uma pequena arruela soldada no centro do fio.

 

É importante que o conjunto do motor e apoio possam girar livremente com um mínimo de atrito.

Outras possibilidades de construção existem, mas sempre devem ser as mais leves possíveis. Podemos usar uma miniatura do Pod Race de Guerra nas Estrelas, como mostrado na figura 18.

 

Miniatura do Pod Race.
Miniatura do Pod Race.

 

No nosso caso, para reduzir ao máximo o peso da nave tivemos de cortar um pedaço da parte traseira de plástico e mesmo assim, usamos um eletrodo adicional de propulsão na parte mais longa da haste de sustentação.

Uma outra possibilidade que dá um efeito visual muito bom é usar uma lâmpada de xenônio de flash como nave, conforme mostra a figura 19.

 

Usando uma lâmpada de xenônio de flash como nave.
Usando uma lâmpada de xenônio de flash como nave.

 

Em funcionamento, essa lâmpada acende com luz azulada, com um efeito visual muito bom para a nave.

É claro que o leitor criativo pode desenvolver sua própria nave com diversos outros formatos e materiais, inclusive criando motores EHD.

 

Teste e Uso

Cuidado: não toque na nave ou em nenhuma parte vida do circuito quando em funcionamento.

O fio terra não precisa ser ligado em nenhum lugar. Basta deixá-lo solto e esticado.

Inicialmente vamos fazer os testes de funcionamento sem a nave apoiada na agulha. Ligando o aparelho à rede de energia, poderemos ouvir o som característico da produção de alta tensão. Aproximando uma lâmpada fluorescente do eletrodo de alta tensão, ela deve acender, conforme mostra a figura 20.

 

Aproximando uma lâmpada fluorescente do eletrodo de alta tensão.
Aproximando uma lâmpada fluorescente do eletrodo de alta tensão.

 

Comprovada a produção da alta tensão, desligue o aparelho e apóie a nave em condição de funcionamento. Ligando o aparelho você deve ouvir o som característico da produção de alta tensão e a lâmpada neon deve acender.

Ajustando o potenciômetro deve-se conseguir a posição em que temos a maior propulsão e a nave comece a se mover. Se o movimento for muito lento, reduza o peso da nave, altere o valor de C3 ou altere o número de espiras de T2.

Comprovado o funcionamento, é só utilizar o seu motor iônico em demonstrações. não o deixe por muito tempo ligado para evitar superaquecimento dos componentes.

Se houver aquecimento excessivo, aumente o valor de R1 ou ainda o dissipador de calor do transistor.

 

Demonstrações Interessantes

A alta tensão gerada pelo circuito e o fluxo de íons permitem a realização de algumas demonstrações interessantes que podem ser aproveitadas em eventos, feitas e até mesmo em aulas.

Uma primeira demonstração é feita com uma vela que permite observar o fluxo de íons que sai da ponta do eletrodo do motor. Aproximando uma vela acesa, conforme mostra a figura 21, o "vento" provocado pelos íons que escapam deforma a chama.

 

Vento provocado pelos íons.
Vento provocado pelos íons.

 

Uma segunda possibilidade consiste em se usar a fonte como "lâmpada de raios", conforme mostra a figura 23.

 


"Lâmpada de raios".

 

As lâmpadas incandescentes de boa potência, acima de 150 W, são cheias de gases inertes, pois o vácuo as tornaria frágeis sujeitas à implosões. Quando aplicamos uma alta tensão num dos pólos apenas dessas lâmpadas o gás em seu interior ioniza formando fluxo de cargas que se dirigem para o vidro (escapando para o exterior).

Podemos colocar os dedos no vidro para concentrar essas cargas e como a corrente através desse vidro é extremamente pequena, não há perigo de choque. Eventualmente, apenas uma pequena sensação de formigamento pode ocorrer.

Aproximando uma lâmpada fluorescente do aparelho ela acenderá sem contacto pela ação do forte campo elétrico. Para melhor efeito essas experiências devem ser feitos em ambientes escuros.

 

Se precisar de componentes originais e com o envio imediato, acesse mouser.com
.

Semicondutores:

Q1 - MJ15003

D1, D2 - 1N5402 ou 1N5404 - diodos retificadores de silício

 

Resistores:

R1 - 220 ? x 5 W - fio

P1 - 1 k ? - potenciômetro de fio

 

Capacitores:

C1 - 4 700 µF x 25 V - eletrolítico

C2 - 22 nF x 200 V - poliéster

C3 - 220 nF a 470 nF x 200 V - poliester

 

Diversos:

T1 - Transformador com enrolamento primário conforme a rede local e secundário de 12 + 12 V ou 13,2 + 13,2 V x 3 A ou mais.

T2 - Transformador de saída horizontal (TSH) - Flyback de TV - ver texto

Caixa para montagem, ponte de terminais, radiador de calor, cabo de força, eletrodos para a nave, lâmpada neon, fios, solda, etc.

 


Localizador de Datasheets


N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

Opinião

Entrando em dezembro (OP207)

Estamos nos aproximando do último mês desse ano de pandemia (2020), com esperanças para que a vacina chegue logo e possamos voltar à normalidade. Há muito a ser feito a partir de agora e, como temos informados aqueles que nos seguem, nunca paramos. De fato, nosso trabalho tem sido contínuo, com a produção constante de material para o nosso site, lives, livros, vídeos, podcasts e muito mais. Na verdade, a única mudança que tivemos em nossas atividades foi a suspensão dos eventos presenciais. Esperamos que no próximo ano eles voltem, talvez com algumas modificações, mas que possamos estar juntos daqueles que nos acompanham.

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