Mecânica

Pesquisadores descobrem detonações supersônicas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/02/2003

Uma simulação em computador, feita pelos pesquisadores James B. Anderson e Lyle N. Long, da Universidade Penn State (Estados Unidos), mostrou que a detonação de um combustível ou explosivo pode ser feita a velocidades muito maiores do que prescrevem as atuais teorias.

Detonações ultrarápidas não significam apenas bombas explodindo: ao contrário, a descoberta poderá permitir a construção de sistemas de propulsão para naves espaciais muito mais eficientes. Mas poderá também dar maior segurança às explosões que ocorrem a velocidades supersônicas em túneis de minas subterrâneas.

Com a ajuda de um modelo químico inovador, rodando em poderosos supercomputadores, os pesquisadores mostraram que as partículas incandescentes de um gás altamente reativo, incendiadas por uma onda de choque explosiva, podem saltar à frente da onda e cavalgá-la como um surfista, iniciando reações à frente da própria onda de choque. "Todos os livros-texto dizem que a velocidade de uma detonação em um gás reativo não pode ser mais rápida do que a velocidade do som naquele gás quando em incandescência, mas nosso modelo mostra que essa suposição não pode mais ser considerada correta," diz Anderson, cujo artigo está no último volume da Journal of Chemical Physics.

De acordo com a teoria previamente aceita, uma detonação ocorre quando uma onda de choque de uma explosão abre seu caminho através de um gás reativo, aquecendo-o até que ele se inflame, causando então uma reação química que continua a conduzir a onda explosiva para a frente. A reação química, que se processa a uma velocidade menor, atrás da onda de choque inicial, era tida como limitada à velocidade do som naquele gás quente. "Os modelos anteriores não prediziam detonações supersônicas e ultrarápidas, nas quais a explosisão pode mover-se ainda mais rápido do que uma onda de choque em um gás quente," disse Anderson.

A atual simulação mostra que detonações supersônicas podem ocorrer em gases altamente reativos se a reação química for rápida o suficiente para manter a onda, caso no qual alguns dos átomos reativos podem saltar à frente para iniciar uma reação antes da chegada da própria onda, acelerando as coisas ainda mais. Agora que eles comprovaram que tal fato pode ocorrer, os pesquisadores acreditam que outros cientistas poderão produzir a experiência real em laboratório. "Os gases com maior probabilidade de ocorrência das detonações ultrarápidas estão em dois dos mais rápidos sistemas reagentes, misturas de hidrogênio e cloro (H₂Cl₂) e misturas de hidrogênio e flúor (H₂F₂)," disse Anderson.

O modelo é o primeiro a incluir, simultaneamente, todos os detalhes tanto das reações químicas e da dinâmica do gás que durante as explosões, quanto a temperatura, velocidade, densidade, pressão e composição química das ondas de detonação. Enfoques anteriores, baseados no uso de equações diferenciais, requeriam que se fizesse aproximações que simplificavam em demasia a física e a química da reação, além de terem pouca utilidade prática em razão de sua complexidade.

Os cientistas alcançaram a inovação utilizando modelagem química de grande detalhamento, uma técnica conhecida como método Monte Carlo de simulação direta. Esse método já é utilizado há mais de cinqüenta anos em cálculos de dinâmica dos gases e tem grande utilidade atualmente para a solução de problemas ligados à área aeroespacial. Da mesma forma que em uma loteria,onde quem tem mais bilhetes tem maiores chances de vencer, os cálculos do método Monte Carlo adotados no novo modelo associam a cada par de partículas uma probabilidade maior ou menor de interagir com cada uma das outras, de acordo com as características particulares daquela partícula num determinado momento. Por exemplo, partículas que estão se movendo rapidamente rumo a outras são muito mais propensas a uma colisão do que aquelas que estão paradas, e as maiores têm mais chances de colidir com outras do que as menores.

Para adicionar uma dose de imponderabilidade ao jogo, os cientistas também incorporaram em seu modelo a técnica de utilização de números aleatórios para capturar quais reações realmente ocorrem. Como resultado, o modelo imita a natureza de forma mais realística, permitindo que as partículas interajam umas com as outras em uma base randômica, além de levar em conta sua probabilidade calculada de interação. "A adição de reações químicas ao método Monte Carlo tornou possível, pela primeira vez, modelar de forma realística e simultânea, tanto a interação química quanto a dinâmica dos gases que ocorrem durante uma explosão," disse Anderson.

O modelo de Anderson e Long simula as reações químicas e detecta movimento, temperatura e velocidade de cada partícula em um grupo de cerca de 10.000 partículas, à medida em que elas reagem entre si. Tais como quadros em um rolo de filme, os cálculos no modelo são fotografias finamente detalhadas das reações químicas como elas se processam, passo a passo. "Nestes cálculos, nós quebramos o sistema em células para modelar as reações em passos muito, muito pequenos a fim de modelar toda a explosão de forma muito precisa," disse Anderson.

O modelo trata os átomos como esferas simples, sem qualquer estrutura interna, simulando os tipos mais simples de reações que se possa imaginar, incluindo alguns dos efeitos mais complexos que existem nos sistemas reais. "A simplificação torna fácil entendermos e analisar os resultados, de forma que, quando os cálculos revelam uma detonação ultrarápida, nós podemos saber se não é apenas o resultado de algum erro anômalo," continua Anderson.

Os pesquisadores afirmaram que o novo modelo poderá ser particularmente útil no entendimento de situações envolvendo combustão ou propulsão, nos quais as reações químicas em um gás são dinamicamente associadas com o movimento do gás durante a explosão. Uma situação desse tipo envolve motores de foguete com detonação por pulsos, os quais criam a propulsão enviando ondas de detonação através de uma mistura explosiva de gases dentro de uma câmara de combustão. "Nosso modelo poderá também ajudar- nos a entender melhor, por exemplo, a reentrada de um veículo espacial [na atmosfera terrestre], o que envolve uma dinâmica de gases e reações químicas muito complicadas na camada superior da atmosfera," disse Lon. "Nós esperamos que nosso modelo possa ser usado para ajudar a realizar previsões melhores nessas situações críticas e complexas." concluiu ele.