Caracterização da microturbulência em propulsores hall utilizando Teoria de Informação : a entropia de Shannon

Abstract

O propulsor Hall e um dispositivo de propulsão elétrica comumente usado para fins de manutenção da órbita de satélites e em missões no espaço profundo desde 1971. Este dispositivo gera impulso a partir da interação entre um plasma e campos eletromagnéticos. Vários aspectos dessa interação e da operação do propulsor ainda não são bem compreendidos. Recentemente, simulações numéricas e medidas experimentais mostraram a ocorrência de uma instabilidade de alta frequência e pequeno comprimento de onda, conhecida como instabilidade de deriva de eletrons é⃗ × B⃗ . Esta instabilidade modifica a mobilidade dos elétrons através do campo magnético, fazendo com que estes se propaguem pelo canal de aceleração na direção contraria ao catodo, fazendo com que essas partículas se aproximem mais do anodo do que o previsto na teoria. Neste estudo foram realizadas simulações numéricas de um propulsor Hall, modelo SPT-100. O algoritmo usando e baseado no método Particle-in-cell (PIC) com colisões de Monte Carlo (MCC). As simulações foram desenvolvidas em um domínio bidimensional o qual teve as suas coordenadas axial e azimutal consideradas, enquanto a coordenada radial foi desprezada, uma vez que o fenômeno de interesse não é detectado nesta direção. As simulações foram desenvolvidas usando dois tipos diferentes de propelente, argônio e xenônio. Para compreender os dados gerados pela simulação, analisou-se os espectros de potências do campo elétrico azimutal e da densidade de íons os quais foram obtidos pela transformada rápida de Fourier. Tal método tornou possível identificar que a instabilidade de deriva dos elétrons é⃗ × B⃗ induz uma onda com comprimento de ≈ 2mm e frequência acima de 10MHz. O espectro de potência gerado demonstra uma lei de potência similar a turbulência magneto-hidrodinâmica (MHD). Por fim foi aplicado o conceito da entropia de Shannon ao campo elétrico azimutal, possibilitando identificar que a entropia do sistema varia com o propelente utilizado.