A delicada arte da aerofrenagem: a chave para explorar Vênus

A década de Vênus está quase chegando. Com três próximas missões a Vênus planejado pela NASA e pela Agência Espacial Européia (ESA), estamos prestes a aprender mais sobre nosso planeta vizinho do que nunca.

Mas não aprenderemos apenas sobre ciência planetária. Desta vez também aprenderemos a controlar uma espaçonave em uma atmosfera alienígena, graças a duas missões — a da ESA EnVision e o VERITAS da NASA - que deve usar uma nova técnica chamada aerofrenagem para colocar sua espaçonave na órbita certa para que eles façam sua ciência.

Conversamos com engenheiros e cientistas da missão EnVision para saber como eles planejam fazer isso - e o que eles podem aprender com isso.

Desacelerando usando a atmosfera

Normalmente, você reduziria a velocidade de uma espaçonave da mesma forma que a aceleraria: queimando combustível. A propulsão química é uma ótima maneira de produzir muita força rapidamente, e é o que você precisa tanto para lançar de sua origem quanto para entrar em órbita em seu destino.

No entanto, o combustível também é muito pesado. E peso é dinheiro quando se trata de lançamentos de foguetes. Quanto mais combustível uma espaçonave estiver carregando, mais caro será o lançamento e menos subsídio haverá para instrumentos científicos.

Assim, nas últimas décadas, os engenheiros espaciais desenvolveram uma maneira mais eficiente de desacelerar uma espaçonave. Em vez de queimar combustível, esse novo método aproveita a atmosfera existente na maioria dos locais que queremos visitar. A espaçonave se aproxima das bordas superiores da atmosfera e mergulha, onde o atrito a desacelera um pouco. Em seguida, a espaçonave recua antes de mergulhar novamente, desacelerando gradualmente em várias quedas e diminuindo sua órbita com o tempo.

Este método, chamado aerofrenagem, tem sido usado por espaçonaves em Marte e até mesmo experimentado em espaçonaves que retornam à Terra. Mas agora as equipes da missão também querem usar a técnica para duas das próximas missões a Vênus.

Algumas espaçonaves anteriores de Vênus, como Magellan e Venus Express, usaram aerofrenagem no final de suas missões, quando seu principal trabalho científico foi feito e as equipes queriam experimentar o técnica. Mas a EnVision e a VERITAS serão as primeiras espaçonaves a usar aerofrenagem no início de suas missões para entrar na órbita certa.

Uma maratona de 15 meses 

Quando o EnVision chegar a Vênus, estará orbitando a uma altitude de 150.000 milhas. E precisa descer até 300 milhas acima da superfície para obter as leituras que a equipe deseja. Para fazer isso, ele mergulhará na atmosfera milhares de vezes durante um período de 15 meses a dois anos, movendo-se gradualmente para a órbita correta.

Isso requer planejamento meticuloso, mas também requer conhecimento detalhado das condições atmosféricas para prever como as manobras afetarão a espaçonave. Os maiores fatores que afetam a aerofrenagem serão a temperatura, densidade e velocidade do vento, que variam consideravelmente em diferentes partes da atmosfera venusiana.

Isso torna a aerofrenagem em Vênus muito mais complicada do que a aerofrenagem em Marte, por exemplo. Vênus tem uma gravidade muito maior que a de Marte, o que significa que a espaçonave experimentará velocidades muito mais altas ao passar pela atmosfera. É por isso que o processo vai demorar tanto.

O ambiente hostil de Vênus

Outro desafio é que Vênus é um lugar profundamente inóspito, e isso também se estende à sua atmosfera. Vênus está mais perto do sol do que a Terra, por isso recebe calor e radiação solar consideráveis ​​que a espaçonave precisa para suportar. E quando a espaçonave cai na atmosfera para a aerofrenagem, o atrito faz com que ela desacelere – mas isso também causa aquecimento.

As temperaturas exatas que a espaçonave experimentará dependerão das decisões finais do projeto, mas será no região de “talvez 200 ou 300 graus centígrados para a temperatura mais alta”, Adrian Tighe, cientista de materiais da EnVision, disse. Há também a radiação ultravioleta do sol com a qual a espaçonave terá que lidar. “É um ambiente bastante hostil para os materiais.”

A maior ameaça à espaçonave durante a aerofrenagem, no entanto, não é o calor ou a radiação. Em vez disso, é um componente da atmosfera superior, o oxigênio atômico. Ao contrário da maioria das moléculas de oxigênio na Terra, que são feitas de dois átomos de oxigênio, o oxigênio atômico foi dividido pela radiação do sol e, portanto, possui apenas um átomo de oxigênio. Isso significa que é altamente reativo, por isso pode corroer os materiais e corrói-los.

Isso é uma má notícia para a espaçonave, que precisa sobreviver à fase de aerofrenagem de meses e então poder prosseguir para sua missão científica. E a espaçonave será literalmente bombardeada por essas partículas, pois estará se movendo a uma alta velocidade de cerca de cinco milhas por segundo. “É uma combinação de uma reação química e a velocidade do impacto” que causará o problema, explicou Tighe, com partículas atingindo a espaçonave “como uma bala em alta velocidade”.

Encontrando materiais à prova de Vênus

O oxigênio atômico pode oxidar metais, mas é ainda pior para polímeros. Esses materiais semelhantes a plástico, feitos de carbono, hidrogênio e oxigênio, reagem com o oxigênio atômico para formar compostos como o dióxido de carbono que evaporam e, assim, o material se perde no espaço. O oxigênio atômico também pode reagir com tintas, como tintas brancas que são necessárias para refletir o calor e que podem ficar marrons e se tornar menos eficazes, bem como com material de isolamento chamado multicamadas isolamento.

A maior preocupação são os painéis solares da espaçonave, porque estão muito expostos. As células solares são cobertas por vidro, resistente ao oxigênio atômico, mas são colocadas em um substrato normalmente feito de fibra de carbono, suscetível à erosão. Outro componente sensível é a fina película utilizada como isolante entre a célula e o painel, chamada kapton. E há uma fina folha conectando as diferentes células, que às vezes é feita de prata – e também é sensível. Portanto, os engenheiros estão trabalhando na escolha de materiais diferentes ou na descoberta de maneiras de proteger os materiais da exposição ao oxigênio atômico.

Embora o oxigênio atômico não seja muito encontrado na superfície da Terra, temos alguma compreensão de como lidar com ele, pois é encontrado na órbita da Terra. Os satélites são projetados para suportar uma certa densidade de oxigênio atômico, então os engenheiros estão usando princípios semelhantes para projetar a espaçonave EnVision para torná-la resistente. Mas o ambiente da Terra não envolve temperaturas tão altas, então a combinação de oxigênio atômico e altas temperaturas é um novo desafio.

“Portanto, tivemos que usar os materiais mais robustos”, disse Tighe, cujo grupo tem estado ocupado testando materiais como isolamento, tinta e energia solar. componentes do painel para encontrar aqueles que serão capazes de suportar 15 meses neste ambiente hostil antes mesmo de iniciar sua missão principal.

Dados científicos de graça

A missão principal da EnVision não começará até que as manobras de aerofrenagem levem a espaçonave à sua órbita final entre 130 e 340 milhas. Mas os cientistas nunca deixam passar uma oportunidade de aprender, então uma equipe de pesquisa está trabalhando no que eles podem aprender sobre Vênus também durante a fase de aerofrenagem.

Os cientistas atmosféricos estão entusiasmados com a possibilidade de obter uma visão de perto da atmosfera superior do planeta, que raramente é estudada. Estudar a atmosfera superior é difícil, de acordo com a cientista da EnVision, Gabriella Gilli, da Instituto de Astrofísica de Andalucía na Espanha, porque é tão fino em comparação com o denso inferior atmosfera. “É difícil medir com instrumentos de sensoriamento remoto. Não temos precisão suficiente para instrumentos medirem uma densidade tão pequena”, explicou Gilli.

É por isso que a manobra de aerofrenagem oferece uma oportunidade científica única. Ao fazer medições de fatores como densidade e temperatura durante as manobras, os cientistas podem construir uma imagem mais abrangente da região superior da atmosfera.

“Nós realmente queremos saber qual é o estado da atmosfera em cada parte do planeta”, disse Gilli. Mas atualmente, os dados limitados que temos de Vênus estão confinados a observações altamente localizadas. Também existem grandes diferenças entre o comportamento da atmosfera durante o dia e a noite, que estamos apenas começando a entender.

Se os cientistas conseguirem obter dados sobre a atmosfera superior durante esta fase, eles poderão compará-los com dados de outras missões. como DaVinci para tentar juntar o que está acontecendo na atmosfera como um todo, ao invés de apenas um localização.

Ajustando às condições

As observações coletadas durante a fase de aerofrenagem não serão apenas de interesse científico. Eles também serão informados à equipe da espaçonave, que poderá ajustar a forma como as manobras estão sendo realizadas. planejado se, digamos, acontecer que a densidade em uma parte da atmosfera é diferente do que era esperado.

“A atmosfera de Vênus é extremamente variável”, explicou Gilli, o que significa que sua temperatura e densidade mudam de maneiras complexas. “E a variabilidade é ainda maior na parte superior da atmosfera.”

Isso significa que as previsões limitadas que temos sobre o que esperar podem precisar de ajustes consideráveis ​​quando a espaçonave chegar a Vênus. Modelar as condições que a espaçonave encontrará será “um trabalho contínuo em andamento até o lançamento”, de acordo com Thomas Voirin, gerente do EnVision Study.

E mesmo após o lançamento, ajustar as manobras de aerofrenagem é um processo iterativo. A equipe da missão tem modelos do que podem esperar encontrar, mas “com certeza, a realidade será diferente”, disse Voirin. Todo o processo é projetado com amplas margens, para permitir vários desvios possíveis das previsões.

Uma fase delicada

Lançar qualquer missão interplanetária é difícil, mas a aerofrenagem em Vênus é um desafio particular. Da rápida rotação de partes da atmosfera aos efeitos da atividade solar, com ventos rápidos e alta variabilidade, há muitos fatores que espaçonaves como o EnVision terão que enfrentar com.

“Esta é uma fase muito desafiadora. Uma fase muito delicada”, disse Gilli.

Mas, se funcionar, poderá demonstrar uma maneira nova e mais acessível de colocar espaçonaves em suas órbitas. — e isso significa que as missões podem ser mais ambiciosas em seus objetivos científicos sem serem mais caro.

O processo é longo e exigirá paciência dos pesquisadores e do público, mas tem o potencial de mudar a forma como fazemos ciência planetária em Vênus.

“Parece uma coisa bem complicada. Você pensa, bem, por que você faria isso? Por que você passaria dois anos esperando por uma manobra bastante arriscada? É porque realmente permite a missão”, disse Tighe. E há algo inerentemente satisfatório nisso também. “É simplesmente legal usar a própria atmosfera para permitir que você entre na órbita. É uma maneira legal de fazer isso.”

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