Diferenças do propelente Neo Green

Comparação de Emissões de HCl em Propelentes Sólidos: Formulação Clássica vs. Alternativa Sustentável

1. Introdução

Propelentes sólidos são fundamentais para foguetes e sistemas de propulsão aeroespaciais e militares. Contudo, sua combustão frequentemente gera subprodutos nocivos, como o ácido clorídrico (HCl), que causa corrosão de estruturas metálicas e contribui para a depleção da camada de ozônio na estratosfera [1]. Este white paper compara as emissões de HCl de duas formulações de propelentes sólidos: uma clássica, composta por 68% de perclorato de amônio (AP), 18% de alumínio (Al) e 14% de polibutadieno hidroxil-terminado (HTPB), conforme descrito por Wickman [2], e uma alternativa desenvolvida pela Harpia Aerospace, projetada para minimizar impactos ambientais.

A formulação alternativa utiliza nitrato de amônio (AN) e uma fonte de cloro não baseada em perclorato, reduzindo drasticamente as emissões de HCl gasoso. As análises, realizadas com o software PROPEP 3 e complementadas por estudos científicos [1, 3, 4], destacam os benefícios ambientais dessa abordagem inovadora, alinhada à crescente demanda por tecnologias mais verdes na indústria aeroespacial.

2. Formulações Avaliadas

2.1 Formulação Clássica (Wickman)

A formulação clássica, descrita por Wickman [2], contém:

• Perclorato de Amônio (AP): 68%, oxidante primário e principal fonte de cloro.
• Alumínio (Al): 18%, combustível metálico que eleva a energia.
• HTPB: 14%, ligante que confere estrutura mecânica.

O AP (NH₄ClO₄) possui cerca de 30,18% de cloro em massa, resultando em altas emissões de HCl durante a combustão, o que amplifica preocupações ambientais devido à corrosividade e ao impacto no ozônio [1].

2.2 Formulação Alternativa (Harpia Neo Green)

A formulação alternativa, projetada com foco em sustentabilidade, utiliza:

• Nitrato de Amônio (AN): Oxidante primário, livre de cloro.
• Fonte Alternativa de Cloro: Não baseada em perclorato, com proporção reduzida para minimizar HCl.
• Outros Componentes: Combustíveis metálicos e estabilizantes que favorecem compostos condensados menos agressivos.

Por sigilo industrial, a composição exata não é divulgada. A formulação reduz significativamente as emissões de HCl gasoso, com parte do cloro convertida em sais metálicos condensados, como cloreto de potássio (KCl), que têm menor impacto ambiental.

3. Metodologia

As emissões de HCl foram analisadas com o software PROPEP 3, um programa de equilíbrio químico amplamente usado para simular gases de exaustão de propelentes [5]. As simulações foram conduzidas sob condições de 298 K, 1000 PSI e 1 atm, fornecendo a quantidade de moles de cada espécie química por 100 g de propelente queimado.

• Cálculo da Massa de HCl: A massa de HCl foi obtida multiplicando o número de moles de HCl pela sua massa molar (36,46 g/mol).
• Fontes Complementares: Estudos sobre impactos ambientais de propelentes, incluindo relatórios da ESA [1], artigos da Space.com [3] e publicações da Space Generation Advisory Council [4], embasaram as considerações ambientais.

4. Resultados da Simulação

Os resultados das simulações no PROPEP 3 são apresentados na tabela abaixo e nas figuras 1 e 2:

Figura 1. Saída do software Propep 3 para a formulação clássica.

Figura 2. Saída do software Propep 3 para a formulação Harpia Neo Green.

A formulação clássica emite 21,00 g de HCl por 100 g de propelente, enquanto a alternativa emite apenas 6,05 g, uma redução de aproximadamente 71%. Essa diferença evidencia o potencial da formulação alternativa como uma solução mais ecológica.

5. Análise da Distribuição de Cloro

A distribuição do cloro nos produtos de combustão foi analisada para compreender como cada formulação converte o cloro inicial em HCl gasoso ou em compostos condensados menos nocivos. Os resultados, baseados nas simulações do PROPEP 3 e detalhados na tabela abaixo, destacam as diferenças entre as formulações clássica e alternativa.

• Formulação Clássica: O perclorato de amônio (AP) contribui com 20,55 g de cloro por 100 g de propelente, dos quais aproximadamente 99,4% (20,42 g) são convertidos em HCl gasoso. Apenas uma fração mínima, cerca de 0,13 g, forma compostos condensados como AlCl₃, indicando que quase todo o cloro é liberado na forma gasosa, o que intensifica os impactos ambientais, como a depleção da camada de ozônio e a corrosão de infraestruturas [1].

• Formulação Alternativa: A formulação Neo Green contém 7,95 g de cloro inicial por 100 g de propelente. Desse total, 5,88 g são convertidos em HCl gasoso, representando cerca de 74% do cloro inicial. Os 2,07 g restantes (aproximadamente 26%) formam sais metálicos condensados, como cloreto de potássio (KCl), que não contribuem para emissões gasosas nocivas e têm impacto ambiental reduzido. Essa conversão significativa para compostos condensados demonstra o design ambientalmente consciente da formulação alternativa.

A escolha da formulação clássica com 68% de AP foi conservadora para esta análise, já que formulações tradicionais na literatura, como as de Sutton e Biblarz (84% de AP) [6] e McCreary (79,8% de AP) [7], apresentam teores ainda maiores de AP, resultando em emissões de HCl proporcionalmente mais altas. Comparada a essas formulações, a redução de emissões da Neo Green seria ainda mais significativa.

A formulação Neo Green, ao minimizar o cloro gasoso e favorecer a formação de sais condensados, reduz os impactos ambientais associados ao HCl, alinhando-se às demandas por soluções mais sustentáveis na propulsão aeroespacial.

6. Considerações Ambientais e Operacionais

O HCl gasoso de propelentes sólidos apresenta desafios ambientais significativos:

• Depleção da Camada de Ozônio: Na estratosfera, o HCl pode se dissociar em cloro ativo, catalisando a destruição do ozônio (O₃) [1]. Formulações baseadas em AP, como a clássica, contribuem significativamente para emissões de cloro, ameaçando a camada de ozônio.
• Corrosão e Chuva Ácida: O HCl é corrosivo, danificando equipamentos de lançamento e infraestruturas. Na troposfera, contribui para chuva ácida, afetando ecossistemas locais [3].

A formulação alternativa, com emissões de HCl 71% menores, oferece benefícios substanciais:

• Proteção do Ozônio: Menos HCl gasoso reduz a liberação de cloro ativo, alinhando-se a metas globais de preservação ambiental [1].
• Menor Corrosividade: Emissões reduzidas prolongam a vida útil de equipamentos, diminuindo custos de manutenção.
• Operações Mais Verdes: A formação de sais metálicos, como KCl, minimiza riscos de chuva ácida, promovendo práticas mais responsáveis [4].

Apesar dessas vantagens, a formulação alternativa pode apresentar trade-offs. O uso de nitrato de amônio pode reduzir o desempenho energético em comparação com o AP, e os custos de desenvolvimento e produção podem ser mais elevados. Além disso, a certificação para uso em missões comerciais e a escalabilidade industrial requerem validações adicionais, que estão em andamento.

Outras iniciativas sustentáveis, como propelentes baseados em oxidantes sem cloro (e.g., nitratos orgânicos) ou tecnologias de propulsão híbrida, também estão sendo exploradas na indústria [3]. Contudo, a formulação da Harpia Aerospace se destaca pela redução significativa de HCl sem comprometer a viabilidade prática, especialmente em aplicações de propelentes sólidos.

Com o aumento projetado na frequência de lançamentos comerciais [4], propelentes mais verdes, como a formulação alternativa, são essenciais para mitigar impactos ambientais cumulativos e promover uma indústria aeroespacial mais responsável.

7. Conclusão

A formulação clássica, com 68% de AP, emite 21,00 g de HCl por 100 g de propelente, com 99,5% do cloro convertido em HCl gasoso, exacerbando impactos ambientais. Em contraste, a formulação alternativa da Harpia Aerospace emite apenas 6,05 g de HCl por 100 g, uma redução de 71%, alcançada por um menor teor de cloro e formação de sais metálicos condensados, como KCl. Comparada a formulações com maior teor de AP (e.g., 84% [6] ou 79,8% [7]), a vantagem ambiental da formulação alternativa seria ainda maior. Essa abordagem inovadora reduz corrosividade, riscos de chuva ácida e depleção do ozônio, alinhando-se às demandas por responsabilidade ambiental na indústria aeroespacial.

8. Referências

[1] European Space Agency. (2022). Environmental Impact of Propellants. Available at: ESA.
[2] Wickman, J. H. (2003). How to Make Amateur Rockets – 2nd Edition. Available at: Amazon.
[3] Space.com. (2023). How rocket launches may be affecting our ozone layer and climate. Available at: Space.com.
[4] Space Generation Advisory Council. (2023). Rocket Fuel Brief. Available at: SGAC.
[5] NASA Glenn Research Center. PROPEP 3 - Chemical Equilibrium Program. Available at: NASA Glenn Research Center.
[6] Sutton, G. P., & Biblarz, O. (2016). Rocket Propulsion Elements, 9th Edition. Wiley.
[7] McCreary, W. J. (2001). Experimental Composite Propellant. Available at: Amazon.