Propelente

Motor principal de um ônibus espacial durante um teste no Centro Espacial Stennis.

Propelente, também chamado de propulsante, é uma substância que é expelida ou se expande de modo a produzir empuxo ou outra força motriz, impulsionando um veículo, um projétil ou uma carga fluida. Na propulsão por reação, constitui a massa de reação acelerada pelo sistema, cujo funcionamento é descrito pela terceira lei de Newton. Nos veículos, o motor que expele o propelente é chamado de motor de reação. Nos motores de foguete químicos, os propelentes também fornecem a energia necessária à sua expulsão. Nos sistemas que empregam combustão, o termo abrange o combustível e o oxidante, que podem ser armazenados separadamente ou reunidos em uma formulação. Isso não significa que propelente e combustível sejam sinônimos: o combustível fornece energia, enquanto o propelente constitui o material expelido. Um combustível pode, portanto, fornecer energia e participar da massa de reação, sem que as duas funções se confundam.

Veículos podem se deslocar expelindo propelente para trás, o que produz uma força de reação no sentido oposto. No lançamento de projéteis, gases em expansão fornecem a força necessária para colocá-los em movimento. Embalagens de aerossol utilizam fluidos pressurizados. Quando a válvula é aberta, a pressão força o produto para fora do recipiente. Um fluido comprimido também pode servir como propelente de um veículo simples, utilizando a energia armazenada durante a compressão para sua própria expulsão. Essa energia foi anteriormente fornecida ao sistema, como ocorre no armazenamento de ar comprimido. O gás pressurizado pode realizar trabalho ao se expandir. A compressão pode aquecer o gás, e parte da energia pode ser perdida para o ambiente como calor. Nem toda a energia fornecida é recuperável. O fluido comprimido também pode fornecer energia para expelir outra substância: em um foguete a água, por exemplo, o ar comprimido armazena a energia, enquanto a água funciona como propelente.

Na propulsão elétrica de veículos espaciais, a eletricidade é utilizada para acelerar o propelente. A força eletrostática pode acelerar íons positivos, enquanto a força de Lorentz atua sobre partículas eletricamente carregadas e pode acelerar um plasma. Os motores eletrotérmicos convertem energia elétrica em calor para aquecer gases de baixa massa molar, como hidrogênio, hélio ou amônia, antes de expeli-los. Conforme o tipo de motor, o aquecimento pode ou não produzir um plasma. Em um propulsor resistojato, o propelente é aquecido por resistência elétrica antes da expansão, aumentando a velocidade de exaustão e o impulso específico em relação à expansão sem esse aquecimento.

Em foguetes químicos e aeronaves a jato, combustíveis são usados para produzir gases quentes que podem ser direcionados por uma tubeira, gerando empuxo. Nos foguetes, a reação dos propelentes químicos produz material de exaustão, geralmente expelido sob pressão pela tubeira. Nos motores químicos, a exaustão é formada por gases quentes, que podem transportar gotículas ou partículas sólidas. Considerando também outros sistemas de propulsão, o material expelido pode ser gasoso, líquido, sólido ou um plasma. Nos aviões a jato que utilizam o ar atmosférico, a massa expelida inclui os produtos da combustão e o ar que não participou da reação. Em funcionamento estável, a massa total expelida em um dado intervalo é a soma das massas de ar admitido e de combustível consumido nesse intervalo.

Os foguetes fotônicos propostos utilizariam o momento dos fótons para produzir empuxo. Embora não tenham massa de repouso, os fótons transportam energia e momento e, por extensão, podem desempenhar o papel de agente propulsor. Como se deslocam à velocidade da luz no vácuo, sua contribuição deve ser descrita pela mecânica relativista e pela conservação do momento, e não apenas pela formulação newtoniana para partículas materiais.

Nos foguetes químicos, as reações liberam energia química, que é convertida em energia térmica e em movimento do fluido, permitindo expelir os produtos da reação e, por vezes, outras substâncias como propelente. Em um motor simples de hidrogênio e oxigênio, por exemplo, o hidrogênio é oxidado para formar H₂O, e a energia liberada permite expelir gases quentes que incluem vapor de água, produzindo empuxo. Algumas formulações incluem combustíveis metálicos, como o alumínio, que contribuem para a energia liberada e passam a integrar a massa dos produtos expelidos.

O propelente também pode ser expelido pela expansão de gás pressurizado, sem combustão. Os propulsores de gás frio são usados para produzir pequenas variações de velocidade em veículos espaciais, geralmente em manobras de controle.

Para obter uma densidade adequada ao armazenamento, a maioria dos propelentes químicos é armazenada no estado sólido ou líquido.

Propelentes para veículos

Ver artigo principal: Motor a reação

Lançamento de um foguete a água. O ar comprimido fornece energia para expelir a água, que é o propelente.

Um propelente de foguete é uma massa de reação expelida de um veículo, como um foguete, de maneira a produzir empuxo, de acordo com a terceira lei de Newton, e impulsioná-lo. O motor que expele o propelente é chamado de motor de reação. Nos motores de foguete químicos, os propelentes fornecem a massa de reação e a energia liberada para acelerá-la. Nos sistemas que empregam combustão, esse conjunto abrange o combustível e o oxidante. O termo "propelente" não é, portanto, sinônimo de combustível.

Na propulsão elétrica espacial, a eletricidade acelera o propelente. A força eletrostática pode acelerar íons positivos, enquanto a força de Lorentz atua sobre as partículas carregadas de um plasma. Os motores eletrotérmicos utilizam energia elétrica para aquecer gases de baixa massa molar, como hidrogênio, hélio ou amônia, que são posteriormente expelidos. A formação de plasma depende do tipo de motor. Em um propulsor resistojato, o propelente comprimido recebe calor por resistência elétrica antes de ser expelido, aumentando a velocidade de exaustão e o impulso específico em relação à expansão sem aquecimento.

Em foguetes químicos e aeronaves a jato, combustíveis produzem gases quentes que podem ser direcionados por uma tubeira, gerando empuxo. Nos foguetes, a reação dos propelentes produz o material de exaustão, geralmente expelido sob pressão. Nos motores químicos, a exaustão consiste em gases quentes, por vezes acompanhados de gotículas ou partículas sólidas. Em outros sistemas de propulsão também podem ser expelidos um líquido, um plasma ou partículas de um sólido, além de um gás. Nos aviões a jato que aspiram ar atmosférico, a massa expelida inclui os produtos da combustão e o ar que não participou da reação. Em funcionamento estável, a massa expelida em um dado intervalo corresponde à soma das massas de ar admitido e de combustível consumido.

O propelente também pode ser simplesmente um fluido comprimido, cuja energia armazenada é utilizada para sua própria expulsão. Essa energia foi adicionada ao sistema durante a compressão, como no armazenamento de ar comprimido. Parte da energia fornecida pode ser recuperada na expansão, mas o aquecimento do gás durante a compressão pode resultar em perdas de calor para o ambiente. Um fluido comprimido também pode apenas armazenar a energia usada para expelir outra substância, como em um foguete a água, no qual o ar comprimido fornece energia e a água é o propelente.

Os foguetes fotônicos propostos utilizariam o momento dos fótons para gerar empuxo. Embora não tenham massa de repouso, os fótons transportam energia e momento. Nesse caso, o funcionamento deve ser descrito pela mecânica relativista e pela conservação do momento, em vez de se aplicar somente a formulação newtoniana para partículas materiais.

Nos foguetes químicos, as reações liberam energia química, que aquece e põe em movimento um fluido, permitindo expelir os produtos dessas reações e, em alguns casos, outras substâncias. Em um motor simples de hidrogênio e oxigênio, o hidrogênio é oxidado para formar H₂O. A energia da reação é utilizada para expelir gases quentes que incluem vapor de água e produzir empuxo. Certas formulações incluem combustíveis metálicos, como o alumínio, que contribuem para a energia liberada e para a massa dos produtos expelidos.

O propelente de um foguete também pode ser expelido por uma tubeira como gás frio, sem combustão, para produzir pequenas variações de velocidade por meio de propulsores de gás frio, geralmente empregados em manobras.

Para obter uma densidade adequada ao armazenamento, os propelentes químicos são geralmente armazenados como sólidos ou líquidos.

A energia fornecida por reações químicas pode ser utilizada para expelir materiais sólidos, líquidos ou gasosos. A energia elétrica permite expelir gases, plasmas, íons, partículas sólidas ou gotículas. Fótons também podem produzir empuxo por transportarem momento.

Desempenho e consumo de propelente

Ver artigos principais: Impulso específico e Equação de foguete de Tsiolkovski

Em um motor de foguete, o impulso específico relaciona o empuxo ao consumo de propelente. Quando expresso em segundos, é dado por:

$I_{\mathrm {sp} }={\frac {F}{{\dot {m}}g_{0}}}$

Nessa expressão, $F$ é o empuxo, ${\dot {m}}$ é a vazão mássica do propelente, ou seja, a massa expelida por unidade de tempo e $g_{0}$ é a aceleração da gravidade padrão. Um impulso específico mais alto permite produzir mais impulso com a mesma massa de propelente. Isso não significa, por si só, que o motor produza um empuxo maior, pois o empuxo também depende da taxa de consumo.

A equação do foguete de Tsiolkovski relaciona a variação ideal de velocidade à massa consumida. Para uma velocidade efetiva de exaustão constante, sem perdas gravitacionais ou aerodinâmicas, pode ser escrita como:

$\Delta v=g_{0}I_{\mathrm {sp} }\ln \left({\frac {m_{i}}{m_{f}}}\right)$

As grandezas $m_{i}$ e $m_{f}$ são as massas totais do veículo antes e depois do consumo de propelente. A massa final inclui a estrutura, a carga útil e qualquer propelente restante. Para um mesmo impulso específico, uma variação de velocidade maior exige uma razão maior entre as massas inicial e final.

Propulsão química

Propelentes sólidos

Ver também: Foguete de combustível sólido

Esquema de um motor de propelente sólido. O grão é indicado por 1, o dispositivo de ignição por 2 e a câmara de combustão por 3. Os gases passam pela garganta da tubeira, 4, e são expelidos, 5.

Entre as formulações de propelentes sólidos estão:

• Propelentes compósitos, feitos com um oxidante sólido, como perclorato de amônio ou nitrato de amônio, uma borracha sintética, como HTPB, PBAN ou poliuretano, e, geralmente, um metal combustível em pó, como alumínio. Polímeros energéticos, como nitrato de poliglicidila ou nitrato de polivinila, e componentes explosivos, como RDX ou nitroglicerina, também podem ser empregados para aumentar a energia disponível.
• Alguns propelentes utilizados no foguetismo amador empregam nitrato de potássio combinado com açúcar, epóxi ou outros combustíveis e compostos aglutinantes.
• O perclorato de potássio também foi utilizado como oxidante em combinação com asfalto, epóxi e outros aglutinantes.

Os motores convencionais de propelente sólido são projetados para que o material queime de forma controlada, e não para que detone durante o funcionamento. Também existem pesquisas com motores de detonação por pulsos. Compostos à base de bishomocubano foram investigados como materiais energéticos com possível aplicação em propelentes sólidos e líquidos.

Grãos

Os combustíveis e propelentes sólidos são empregados em unidades chamadas de grãos. Um grão é uma unidade individual de combustível ou propelente, independentemente de seu tamanho ou formato. A forma e as dimensões do grão determinam a área de combustão a cada instante e influenciam a duração da queima. Essa área e a velocidade de queima afetam a taxa de produção de gases e de liberação de energia e, consequentemente, a variação do empuxo ao longo do tempo. A combustão avança pelas superfícies expostas do material.

Diferentes geometrias e superfícies de queima permitem obter três comportamentos gerais:

Queima progressiva

A área de combustão aumenta à medida que a queima avança. Pode ser obtida com grãos que apresentam múltiplas perfurações. Cavidades centrais em estrela também permitem ajustar a evolução da área, dependendo de sua geometria.

Queima regressiva

A área de combustão diminui durante a queima. Grãos maciços esféricos ou cilíndricos, quando queimam de fora para dentro, podem apresentar esse comportamento.

Queima neutra

A área de combustão permanece aproximadamente constante. Um exemplo idealizado é um grão tubular com uma perfuração, no qual o aumento da superfície interna compensa a redução da externa, quando a contribuição das extremidades é desprezível ou sua queima é impedida.

Velocidade de queima

A velocidade de queima de um propelente sólido mede o avanço da superfície de combustão para o interior do material. Depende da composição, da temperatura inicial e da pressão na câmara de combustão. A relação empírica de Saint Robert e Vieille é usada para aproximar o efeito da pressão em um intervalo determinado:

$r=ap_{c}^{n}$

Nessa expressão, $r$ é a velocidade de queima, $p_{c}$ é a pressão na câmara e $a$ e $n$ são parâmetros obtidos experimentalmente para o propelente e as condições de ensaio. A expressão não estabelece uma velocidade universal para todos os propelentes.

O escoamento de gases também pode alterar a velocidade de queima. Na queima erosiva, gases que passam rapidamente e paralelamente à superfície do grão podem aumentar a transferência de calor para o propelente e acelerar sua combustão. Esse efeito depende das condições do escoamento e não se confunde com a dependência da queima em relação à pressão.

Composição

Entre as classes de composição dos combustíveis e propelentes sólidos estão:

Propelentes de base simples

Têm a nitrocelulose como principal componente energético. Estabilizantes e outros aditivos são utilizados para controlar a estabilidade química e melhorar suas propriedades.

Propelentes de base dupla

Contêm nitrocelulose e nitroglicerina ou outro nitrato orgânico líquido de caráter explosivo. Também empregam estabilizantes e outros aditivos. A nitroglicerina aumenta a energia disponível e participa de formulações que produzem pouca fumaça. Propelentes de base dupla são utilizados em armas portáteis, canhões, morteiros e foguetes.

Propelentes de base tripla

Contêm nitrocelulose, nitroguanidina e nitroglicerina ou outro nitrato orgânico líquido explosivo. São utilizados em canhões.

Propelentes compósitos

Não utilizam nitrocelulose, nitroglicerina, nitroguanidina ou outro nitrato orgânico como componente principal. Geralmente contêm um combustível, como alumínio metálico, um aglutinante combustível, como borracha sintética ou HTPB, e um oxidante, como perclorato de amônio. São utilizados em motores de foguete de grande porte. Algumas formulações também empregam plastificantes energéticos, como a nitroglicerina.

O míssil balístico lançado de submarino Trident II, dos Estados Unidos, utiliza três estágios de propelente sólido.

Propelentes líquidos

Ver também: Foguete de combustível líquido

Esquema de um sistema bipropelente líquido. O combustível, 1, e o oxidante, 2, passam pelas bombas, 3, até a câmara de combustão, 4. Os gases atravessam a garganta da tubeira, 5, e são expelidos, 6.

Nos sistemas monopropelentes, um único fluido é alimentado ao motor e reage para produzir gases quentes. Esse fluido pode ser uma substância, como a hidrazina, ou uma mistura previamente preparada. A decomposição da hidrazina, por exemplo, é iniciada por um catalisador. Nos sistemas bipropelentes, o combustível e o oxidante são armazenados separadamente e entram em contato no motor.

Nos foguetes, as principais combinações de bipropelentes líquidos podem ser agrupadas em três famílias: oxigênio e hidrogênio criogênicos, oxigênio criogênico e um hidrocarboneto, e propelentes armazenáveis.

Combinação criogênica de oxigênio e hidrogênio

É utilizada em estágios superiores e, por vezes, nos estágios propulsores iniciais de sistemas de lançamento espacial. Seus componentes não são classificados como tóxicos, embora apresentem outros riscos. A combinação proporciona alto impulso específico e é adequada a missões que exigem grandes variações de velocidade.

Combinação de oxigênio criogênico e hidrocarboneto

É utilizada em muitos estágios propulsores iniciais de veículos de lançamento espacial e em um número menor de segundos estágios. Sua densidade relativamente elevada permite construir estágios mais compactos.

Combinações de propelentes armazenáveis

São utilizadas em numerosos motores bipropelentes de baixo empuxo, auxiliares ou de sistema de controle de reação, bem como em alguns motores de grande porte dos primeiros e segundos estágios de mísseis balísticos. São adequadas ao armazenamento prolongado. As combinações hipergólicas permitem ignição pelo contato entre combustível e oxidante.

Entre as combinações utilizadas em foguetes bipropelentes de propelentes líquidos estão:

• Oxigênio líquido e hidrogênio líquido.
• Oxigênio líquido e querosene ou RP-1.
• Oxigênio líquido e etanol.
• Oxigênio líquido e metano.
• Peróxido de hidrogênio concentrado e álcool ou RP-1.
• Ácido nítrico fumegante vermelho (RFNA) e querosene ou RP-1.
• RFNA e dimetil-hidrazina assimétrica (UDMH).
• Tetróxido de nitrogênio e UDMH, monometil-hidrazina (MMH) e/ou hidrazina.

Entre os monopropelentes utilizados em motores de foguete de propelente líquido estão:

• Peróxido de hidrogênio.
• Hidrazina.

O ácido nítrico fumegante vermelho é empregado principalmente como oxidante em combinações bipropelentes, não como um dos monopropelentes usuais desses motores.

Propelentes híbridos

Ver artigo principal: Foguete de combustível híbrido

Os foguetes de propelentes híbridos empregam combustível e oxidante em estados físicos diferentes. Na configuração mais comum, o combustível forma um grão sólido, enquanto o oxidante é fornecido como líquido ou gás. Os componentes ficam separados até o funcionamento do motor, e a combustão ocorre junto à superfície do combustível.

O controle do fornecimento de oxidante permite ajustar o empuxo e interromper a combustão. Uma nova partida também exige que o sistema possa restabelecer a ignição. Combustíveis estudados para esses motores incluem HTPB e parafina, utilizados com oxigênio como oxidante.

Propulsão elétrica

Propulsor de efeito Hall em funcionamento durante um teste de laboratório.

Os motores de reação que utilizam propulsão elétrica empregam diversos propelentes, muitas vezes ionizados. O material expelido pode incluir íons atômicos, plasmas contendo íons e elétrons, pequenas gotículas ou partículas sólidas.

O xenônio é empregado em propulsores iônicos e de efeito Hall. Sua massa atômica relativamente elevada, a facilidade de ionização e a baixa reatividade química favorecem esse uso.

Propulsão eletrostática

Ver artigo principal: Propulsor de íons

Quando a aceleração decorre principalmente da força de Coulomb, isto é, da aplicação de um campo elétrico na direção da aceleração, o dispositivo é considerado eletrostático. Entre esses propulsores e seus respectivos propelentes estão:

• Propulsor de íons com grades: utiliza íons positivos acelerados por grades submetidas a uma diferença de potencial elétrico.
  • NSTAR: acelera íons positivos por meio de eletrodos de alta tensão.
  • HiPEP: teve versões com produção de plasma por radiofrequência e por descarga de corrente contínua com cátodo oco.
  • Propulsor de íons por radiofrequência: utiliza radiofrequência para ionizar o propelente, que é posteriormente acelerado por um campo elétrico.
• Propulsor de efeito Hall: inclui os propulsores de plasma estacionário (SPT) e os propulsores com camada anódica (TAL). Emprega um campo magnético para restringir o movimento dos elétrons, favorecendo a ionização do propelente. Um campo elétrico acelera os íons positivos.
• Propulsor coloidal: acelera eletrostaticamente gotículas carregadas, como as de sais líquidos, também chamados de líquidos iônicos.
• Propulsão elétrica por emissão de campo: emprega campos elétricos para extrair e acelerar íons de um metal líquido.
• Propulsor por extração de campo de nanopartículas: conceito de propulsor que utiliza partículas carregadas eletricamente, incluindo propostas com nanotubos de carbono cilíndricos.
• Propulsor helicon de dupla camada: produz plasma por excitação de um gás com radiofrequência, inclusive na faixa de alta frequência, em uma configuração de campo magnético divergente. Os íons são acelerados pela diferença de potencial de uma dupla camada elétrica.

Propulsão eletrotérmica

Os motores eletrotérmicos utilizam energia elétrica para aquecer o propelente, que se expande em uma tubeira. O aquecimento pode ocorrer por resistência elétrica, por um arco elétrico ou pela absorção de energia de campos eletromagnéticos. A formação de plasma não é necessária em todos os casos. Nos sistemas que utilizam plasma, uma configuração de campo magnético pode desempenhar a função de tubeira. Gases de baixa massa molar, como hidrogênio, hélio e amônia, são opções de propelente para esses sistemas.

• Resistojato: utiliza um propelente aquecido por resistência elétrica.
• Propulsor a arco elétrico: utiliza propelentes como hidrazina ou amônia. Um arco elétrico aquece o escoamento, que pode ser previamente produzido pela decomposição da hidrazina.
• Propulsor eletrotérmico a micro-ondas: utiliza energia de micro-ondas para aquecer o propelente, que se expande pela tubeira. Distingue-se dos propulsores iônicos por radiofrequência, nos quais a aceleração final é eletrostática.
• Motor de Magnetoplasma de Impulso Específico Variável (VASIMR): utiliza ondas de radiofrequência para produzir e aquecer plasma e um campo magnético para confiná-lo e orientar sua expansão.

Propulsão eletromagnética

Os propulsores de plasma eletromagnéticos aceleram plasma por meio de forças associadas a campos elétricos e magnéticos, como a força de Lorentz resultante da interação entre a corrente elétrica e o campo magnético:

• Propulsor de plasma sem eletrodos: entre os conceitos estudados estão sistemas que produzem plasma frio e o aceleram por meio da força ponderomotriz.
• Propulsor magnetoplasmadinâmico: pode empregar xenônio, neônio, argônio, hidrogênio, hidrazina ou lítio como propelente. O plasma é acelerado pela força de Lorentz.
• Propulsor indutivo pulsado: acelera o plasma pela interação entre o campo magnético de uma bobina e as correntes induzidas no plasma. A ausência de eletrodos em contato com o plasma amplia as opções de propelentes. Foram realizados ensaios com amônia, hidrazina e dióxido de carbono. O uso de água também foi proposto.
• Propulsor de plasma pulsado: utiliza plasma produzido a partir de Teflon por uma descarga elétrica, acelerando-o por forças eletromagnéticas.

Propulsão nuclear

Reações nucleares podem fornecer a energia necessária para expelir propelentes. Um reator nuclear pode fornecer eletricidade aos sistemas de propulsão elétrica. Na propulsão nuclear pulsada, explosões nucleares seriam utilizadas para produzir plasma e transferir momento ao veículo. Os foguetes térmicos nucleares utilizam o calor de um reator de fissão para aquecer o propelente. O hidrogênio é uma escolha frequente porque sua baixa massa molar permite obter elevada velocidade de exaustão para uma dada temperatura, favorecendo um alto impulso específico.

Propulsão fotônica

Ver também: Propulsão a laser

Um motor de propulsão fotônica utiliza a emissão de fótons para produzir empuxo. Nesse caso, a radiação transporta energia e momento, sem que seja necessário expelir um propelente material.

Propelentes para projéteis

Ver também: Pólvora e Pólvora sem fumaça

Corte de um cartucho. O propelente, indicado por 3, fica entre o projétil, 1, e a espoleta, 5. O estojo é indicado por 2 e seu rebordo por 4.

Nas armas de fogo, o propelente converte energia química em calor e gases. A expansão desses gases no interior da arma exerce pressão sobre a base do projétil e o acelera ao longo do cano. A queima deve produzir um desenvolvimento controlado da pressão, compatível com o funcionamento da arma, em vez de uma detonação destrutiva.

A pólvora negra foi um dos primeiros propelentes utilizados para esse fim. As pólvoras sem fumaça empregam nitrocelulose e produzem menos resíduos sólidos visíveis. Nas formulações de base simples, a nitrocelulose é o principal componente energético. Nas de base dupla, é combinada com nitroglicerina. A forma e o tamanho dos grãos influenciam a evolução da superfície de combustão e a taxa de liberação de energia, permitindo adequar o comportamento do propelente a diferentes aplicações, de armas portáteis a peças de artilharia.

A porção de propelente destinada a lançar um projétil constitui a carga propulsora. Em um cartucho, o estojo reúne o propelente, o projétil e a espoleta. Há também munições de artilharia em que esses componentes são carregados separadamente. As cargas de artilharia podem ser acondicionadas em sacos ou em módulos próprios.

Propelentes de fluidos comprimidos

Os propelentes de fluidos comprimidos ou gases comprimidos são pressurizados por processos físicos, como a compressão mecânica, em vez de dependerem de uma reação química para produzir a pressão de operação. Na propulsão espacial, os sistemas de gás frio geralmente têm impulso específico menor que os motores químicos, o que limita seu uso em manobras que exigem grandes variações de velocidade. Nesses casos, fluidos comprimidos podem oferecer uma fonte de pressão mais simples e prática, com riscos distintos daqueles associados à combustão.

O propelente pode ser um gás mantido sob pressão ou uma substância gasosa à pressão atmosférica e à temperatura de uso, mas armazenada na forma líquida sob pressão.

Propelentes gasosos comprimidos

Em aplicações que consomem grande quantidade de gás, como a aerografia e sistemas pneumáticos de limpeza, o ar pode ser pressurizado por um compressor e utilizado imediatamente. Bombas manuais também oferecem uma solução simples para pressurizar dispositivos como atomizadores, pulverizadores de plantas e foguetes a água. A lavagem de alta pressão geralmente utiliza uma bomba para pressurizar a água, não um gás propelente. Os frascos flexíveis para produtos como ketchup e xampu também expelem líquido por pressão, mas, nesse caso, a força é aplicada ao apertar o recipiente. Isso não exige um propelente previamente armazenado sob pressão.

Quando o gás não se liquefaz no recipiente, o armazenamento de uma quantidade expressiva pode exigir pressões elevadas. Isso pode tornar esses sistemas menos convenientes que os de gás liquefeito, pois cilindros de alta pressão e reguladores acrescentam custo e massa. Ainda assim, gases comprimidos são utilizados em aerossóis e em propulsores de gás frio. Sua conveniência depende da aplicação.

Nos recipientes que contêm apenas propelente gasoso, a pressão tende a cair à medida que o produto é expelido e aumenta o volume disponível para o gás. Por isso, a pressão e o padrão de pulverização podem mudar durante o uso. Os propelentes liquefeitos podem manter uma pressão mais uniforme enquanto houver líquido disponível para vaporizar.

Propelentes de gases liquefeitos

Ver também: Spray

Princípio de funcionamento

Corte esquemático de uma embalagem de aerossol. A pressão no recipiente força o produto a subir pelo tubo e sair pela válvula.

Os propelentes de gases liquefeitos são substâncias gasosas à pressão atmosférica e à temperatura de uso, mas que se tornam líquidas sob pressão moderada. Essa pressão é suficiente para expelir produtos como tinta, desodorante ou lubrificante e permite seu armazenamento em embalagens metálicas relativamente leves e baratas. Isso não elimina os riscos: recipientes de aerossol podem se romper quando superaquecidos, e a liberação de propelentes inflamáveis pode provocar incêndios.

Enquanto coexistem líquido e vapor em equilíbrio, e a temperatura e a composição permanecem aproximadamente constantes, a pressão no interior da embalagem se mantém próxima da pressão de vapor da mistura. À medida que o produto é consumido, parte do propelente líquido vaporiza e ocupa o volume liberado. O armazenamento na fase líquida permite manter uma quantidade maior de propelente em um dado volume. A quantidade necessária depende da formulação e da forma de aplicação, pois parte do propelente pode sair junto com o produto.

A vaporização do propelente requer energia, correspondente à sua entalpia de vaporização, e resfria o sistema. Esse resfriamento costuma ser limitado, mas pode se tornar um efeito indesejado durante o uso intenso, pois a redução da temperatura diminui a pressão de vapor. Nos sprays congelantes, porém, o resfriamento faz parte do efeito desejado. Substâncias como o cloreto de etila também são utilizadas em sprays refrigerantes por produzirem resfriamento ao evaporar.

Compostos utilizados

Os clorofluorocarbonetos (CFCs) foram amplamente utilizados como propelentes. Desde a entrada em vigor do Protocolo de Montreal, em 1989, foram substituídos em quase todos os países por causa de seus efeitos prejudiciais à camada de ozônio. Seus substitutos mais comuns incluem misturas de hidrocarbonetos voláteis, geralmente propano, n-butano e isobutano.

O dimetiléter (DME) também é utilizado como propelente. O éter metil-etílico foi empregado em formulações de aerossol. Esses éteres e os hidrocarbonetos citados são inflamáveis. O óxido nitroso e o dióxido de carbono também são empregados como propelentes de produtos alimentícios, como chantili e óleo de cozinha em spray.

Aerossóis medicinais, como os inaladores dosimetrados utilizados no tratamento da asma, podem empregar hidrofluoroalcanos (HFA), entre eles o HFA-134a (1,1,1,2-tetrafluoroetano) e o HFA-227ea (1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropano), isoladamente ou em misturas.

As hidrofluorolefinas (HFOs) também passaram a ser utilizadas como propelentes liquefeitos em aerossóis. Um exemplo é o HFO-1234ze(E), comercializado como Solstice, que apresenta baixo potencial de aquecimento global e não propaga chama nos ensaios realizados a 21 °C. Em temperaturas acima de 28 °C, porém, pode formar misturas inflamáveis com o ar. Essas características não devem ser atribuídas indistintamente a todas as substâncias da classe das HFOs.

Produtos e cargas expelidos

A praticidade dos propelentes de gases liquefeitos permite seu uso com uma grande variedade de produtos e cargas. Os aerossóis, nos quais um líquido é expelido como uma névoa, incluem tintas, lubrificantes, desengraxantes e revestimentos protetores, desodorantes e outros produtos de higiene pessoal, e óleos de cozinha. A formulação e a válvula influenciam a forma de aplicação, que pode ser uma névoa, uma espuma ou um gel. No chantili e em espumas de creme de barbear, o gás se expande e forma bolhas quando o produto é liberado. Géis de barbear também podem formar espuma após a aplicação.

Dispositivos de baixa potência, como certas armas BB, marcadores de paintball e réplicas de airsoft, utilizam gases pressurizados para lançar projéteis sólidos. No caso dos sprays de gás para limpeza, popularmente chamados de "ar comprimido em lata", não há uma carga separada: o próprio jato de vapor do propelente realiza a limpeza.

Outras aplicações

Os geradores de gás de airbags podem utilizar uma carga pirotécnica sólida para inflar a bolsa. A carga queima e libera gases, que passam por filtros para resfriamento e remoção de partículas antes de entrar na bolsa. Outros sistemas utilizam gás armazenado sob pressão. Existem ainda infladores híbridos, que combinam gás comprimido com uma pequena carga pirotécnica.

Ver também

• Cartucho (armas de fogo), conjunto de componentes da munição que pode conter a carga de propelente.
• Combustível, material que fornece energia e não deve ser confundido com a massa de reação.
• Espoleta, componente utilizado para iniciar a combustão do propelente em munições.
• Explosivo, material energético empregado em certas formulações de propelentes.
• Propulsão de naves espaciais, sistemas que utilizam propelentes ou outros meios para alterar o movimento de veículos espaciais.
• Impulso específico, medida do desempenho de um sistema de propulsão em relação ao consumo de propelente.

Bibliografia

• Clark, John D. (1972). Ignition! An Informal History of Liquid Rocket Propellants (em inglês). [S.l.]: Rutgers University Press. ISBN 0-8135-0725-1 

Ligações externas

• Rocket Propellants, de Robert A. Braeunig, em inglês. Versão arquivada em 21 de maio de 2013.
• Rocket Propulsion Elements, de George P. Sutton e Oscar Biblarz, 7.ª edição, em inglês.
• Understanding and Predicting Gun Barrel Erosion, de Ian A. Johnston, Weapons Systems Division, Defence Science and Technology Organisation, 2005, em inglês.
• Enhanced Propellant and Alternative Cartridge Case Designs, de George Reynolds e Lucian Sadowski, Armament Research, Development and Engineering Center, 2005, em inglês.
• Manual de Segurança e Operação e Lançamento de Foguetes Amadores, Agência Espacial Brasileira, 2023.