Como funciona o motor de detonação rotativo

Você pode pensar em um motor de detonação rotativo como um tipo de motor de detonação de pulso - com uma torção. Esta é uma turbina a gás General Electric Frame 7FA. Cortesia da General Electric Company

Um motor projetado para um navio não vai caber em um carro ... mas os tipos automotivos tendem a ficar intrigados com a tecnologia mais recente em explosões e estrondos. Afinal, um motor é um motor, capaz de uma potência imensa (e quem sabe quando essas inovações chegarão ao setor civil).

Portanto, com isso em mente, vamos olhar para o motor de detonação rotativo - um tipo de turbina a gás projetada para ser eficiente, com seu ciclo consistente de injeções e explosões cuidadosamente construído. Não é exatamente novo - a patente foi concedida há cerca de 20 anos - mas, no final de 2012, ele está apenas arranhando a superfície de seu potencial de geração de energia para grandes meios de transporte.

Os pesquisadores dizem que o motor de detonação rotativo também poderia ser adaptado para gerar energia elétrica para navios e aviões totalmente elétricos ... assim que estivermos avançados o suficiente para ter barcos e aeronaves confiáveis ​​movidos principalmente por eletricidade, isto é.

Os militares dos Estados Unidos optaram por investir na pesquisa e no desenvolvimento do motor de detonação rotativa, em parte porque a tecnologia é facilmente escalonável - o tamanho do motor pode ser aumentado e a produção de energia também aumentará. (Acredite ou não, nem sempre funciona assim.) Portanto, nunca sabemos - talvez o motor de detonação rotativo possa ser reduzido algum dia e sua geração de energia suave pode impulsionar todos os tipos de material rodante.

Temos a tendência de pensar nas pressões criadas dentro de um motor como sendo mais controladas, em vez de uma "detonação" desorganizada - queremos que seja previsível, não caótica. Mas se um motor pode controlar um ciclo típico com precisão suficiente para produzir potência constante, ele também pode controlar detonações. E a explosão de pressão que uma detonação produz pode resultar em um motor mais eficiente, se for aproveitado corretamente. Normalmente, um motor mistura ar com combustível para prepará-lo para a detonação, que é quando o combustível libera sua energia. A eficiência da liberação de energia do combustível, porém, é altamente dependente do tipo de motor.

É aqui que o motor de detonação rotativo difere dos tipos mais comuns de motores de turbina a gás. O ar e o combustível são misturados (como de costume) antes de serem injetados em uma câmara de combustão longa e circular, o que a "Física Hoje" descreveu como "uma forma circular sequencial". A primeira detonação dá início a um ciclo em que a pressão de ignição continua ao redor da câmara, iluminando cada injeção em sequência. A pressão de cada ignição mantém o ciclo em movimento. A pressão então força o gás de escapamento para fora da câmara de combustão através de um bocal de escapamento, que é na verdade o empuxo gerado pelo motor, e passa a alimentar qualquer tipo de veículo em que o motor está instalado (neste caso, normalmente, um navio ou um avião).

O motor de detonação rotativo é, na verdade, uma variação de outro projeto de motor: o motor de ondas de detonação por pulso. Embora os motores de detonação por pulso proporcionem economia de energia em relação a muitos outros tipos de motores, eles ainda têm suas próprias ineficiências. Um dos motivos é a câmara de combustão, que deve ser purgada após cada pulso. O motor de detonação rotativo é uma melhoria em relação ao design pulsante, porque a onda de detonação circula constantemente em torno da câmara, eliminando a necessidade de desperdiçar tempo e energia purgando.

Como as detonações criam pressões extremas, um motor de detonação pode ser projetado sem o compressor adicional que geralmente é necessário. Não apenas os compressores são tipicamente complexos, mas sua operação geralmente suga muita energia também. No entanto, adicionar um compressor a um motor de detonação o torna ainda mais eficiente. Essa compatibilidade torna mais fácil readaptar veículos com motor de turbina a gás para serem usados ​​com tecnologia de motor de detonação [fonte: Green Car Congress].

A adaptação de navios da Marinha existentes, como o destruidor de mísseis guiados USS Arleigh Burke (DDG 51) mostrado aqui, com tecnologia de motor de detonação rotativa pode resultar em milhões de dólares em economia a cada ano. Cortesia da Marinha dos EUA, foto do jornalista de 2ª classe Patrick Reilly

A Marinha dos Estados Unidos está recebendo todo o crédito por seu recente investimento em tecnologia (e estimulando o ciclo de notícias), mas o motor de detonação rotativo está em funcionamento há algumas décadas, neste momento. A patente do motor foi depositada em 1982 e concedida em 1988 a um inventor de Rockville, Maryland, chamado Shmuel Eidelman. (Na verdade, a patente é chamada de "motor de detonação rotativo", em vez de "rotativo" - não está claro quando o apelido mudou.)

Shmuel Eidelman sempre foi um homem ocupado. Ele recebeu 14 patentes desde 1982, com foco em aeronáutica, propulsão e produtos químicos por meio de seu trabalho com corporações científicas e organizações militares [fonte: PatentBuddy]. Então, quando a patente foi registrada, parecia que a Marinha havia empurrado a turbina a gás o mais longe possível, e era hora de começar a pensar de novo.

A Marinha dos EUA estava inicialmente interessada em motores de detonação de pulso (conforme descrito anteriormente) e investiu em pesquisas para desenvolver esses sistemas de economia de combustível. Os pesquisadores da Marinha dizem que maximizar o potencial desse tipo de motor depende do entendimento de sua complexa física [fonte: Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA]. O motor de detonação rotativo ainda é um motor de turbina a gás, como os motores que atualmente movem a frota de navios e aeronaves da Marinha, mas ajustar e refinar o ciclo libera uma grande quantidade de energia adicional. Os pesquisadores da Marinha acreditam que os motores de detonação rotativos têm o potencial de reduzir o consumo de combustível em novos equipamentos em 25%, o que representaria uma economia anual de cerca de US $ 300 a US $ 400 milhões [fonte: Quick]. Outro benefício do sistema é que ele poderia ser configurado para ligar um motor elétrico, o que, em teoria, permitiria às frotas militares iniciarem a transição para trens de força elétricos (potencialmente) mais limpos, mais baratos e mais eficientes.

Os motores de detonação rotativos ainda não estão prontos para funcionar, então as simulações são o melhor indicador de sua eficiência - mas ainda assim são promissoras o suficiente para que a Marinha esteja avançando com o desenvolvimento. Não há ETA publicamente conhecido para conclusão ou implementação, mas é provável que o motor de detonação rotativo chegue - algum dia, pelo menos - a uma base naval perto de você.

Nota do autor: Como funciona o motor rotativo de detonação

Não parece que ninguém sugeriu (ainda não, pelo menos) que o motor de detonação rotativo pode realmente ter potencial para ser usado em carros ou caminhões. Foi inventado por um cara que se especializou em tecnologia militar e está sendo desenvolvido pela Marinha dos Estados Unidos. O tamanho real do modelo do motor em desenvolvimento não foi mencionado em lugar nenhum, então tudo isso é especulação. Mas nós sabemos disso: é obviamente grande o suficiente para abastecer navios e aviões, e isso é muito mais energia do que um carro precisa. Onde estaria a eficiência nisso?

Mas anos escrevendo sobre carros e tecnologia de transporte me mostraram que muitas das coisas que usamos todos os dias foram originalmente desenvolvidas para propósitos completamente diferentes - e carros de corrida e veículos militares são duas fontes comuns. Mesmo que os carros com baixo consumo de combustível estejam indo atualmente em uma direção diferente (híbridos, elétricos e biocombustíveis), não é incompreensível dizer que algum dia, alguém poderia encontrar uma maneira de reduzir a escala de um motor de turbina a gás supereficiente e colocá-lo sob o capô de um carro.

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Fontes

• Patentes do Google. "Patente US4741154 - Motor rotativo de detonação." (17 de fevereiro de 2013) http://www.google.com/patents/US4741154
• Congresso de carros verdes. "Pesquisadores da Marinha projetam motores de onda de detonação rotativa podem render 10% de ganho de potência e 25% de redução na queima de combustível em turbinas a gás." 2 de novembro de 2012. (13 de fevereiro de 2013) http://www.greencarcongress.com/2012/11/rdwe-20121102.html
• PatentBuddy. "Eidelman, Shmuel." 2013. (17 de fevereiro de 2013) http://www.patentbuddy.com/Inventor/Eidelman-Shmuel/11310789
• Physics Today. "US Navy desenvolve motor de detonação rotativo." 6 de novembro de 2012. (13 de fevereiro de 2013) http://blogs.physicstoday.org/newspicks/2012/11/us-navy-developing-rotating-detonation-engine/
• Rápido, Darren. "A Marinha dos EUA investiga o uso de motores de detonação rotativos que economizam combustível." Gizmag.com. 4 de novembro de 2012. (13 de fevereiro de 2013) http://www.gizmag.com/us-navy-nrl-rotating-detonation-engine/24862/
• Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA. "Pesquisadores da Marinha procuram motores de detonação rotativos para impulsionar o futuro." 2 de novembro de 2012. (13 de fevereiro de 2013) http://www.nrl.navy.mil/media/news-releases/2012/Navy-Researchers-Look-to-Rotating-Detonation-Engines-to-Power -o futuro