Desenvolvimento tecnológico do cátodo de radiofrequência em propulsores elétricos Hall como uma fonte de elétrons: uma análise prática para a propulsão espacial

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento tecnológico do cátodo de radiofrequência (RF) em propulsores elétricos Hall para sondas, satélites e CubeSats como uma fonte de elétrons, sendo o primeiro do tipo desenvolvido e testado na América Central, Latina e do Sul, incluindo o Brasil. O objetivo foi criar uma tecnologia alternativa de menor custo em comparação aos cátodos ocos convencionais, sem comprometer a eficiência na extração de corrente. Foram abordados aspectos fundamentais da física de plasmas, técnicas construtivas e métodos experimentais, resultando na validação funcional do dispositivo. O custo estimado de produção foi de aproximadamente R$ 2.000,00 em 2024, valor significativamente inferior ao dos cátodos ocos tradicionais, cuja vida útil geralmente não ultrapassa 1.000 horas para aplicações laboratoriais. Testes experimentais indicaram que a antena de RF operou com máxima eficiência a 60 W e 13,56 MHz, permitindo a extração de corrente em diferentes fluxos mássicos, atingindo um valor máximo de 0,091 mA para 4 sccm e uma pressão ideal de operação da ordem de 10−5 Torr. Simulações computacionais revelaram que o material cerâmico Shapal proporcionou melhor distribuição térmica que o Macor, reduzindo a temperatura máxima do dispositivo. Além disso, análises do plasma demonstraram a influência do tipo de acoplamento na eficiência da ionização, com diferenças significativas entre os regimes indutivo (ICP) e capacitivo (CCP). Os resultados indicam que o cátodo de RF é uma alternativa viável para experimentação em propulsores Hall e que aprimoramentos futuros, como um sistema de acoplamento ICP e uma fonte de tensão superior a 32 V, podem melhorar ainda mais sua eficiência.