Todo mundo sabe que a energia solar é gratuita e quase ilimitada aqui na Terra. O mesmo se aplica às naves espaciais que operam no interior do Sistema Solar. Mas no espaço, o Sol pode fazer mais do que fornecer energia elétrica ; também emite um fluxo interminável de vento solar.
As velas solares podem aproveitar esse vento e fornecer propulsão para naves espaciais. A NASA está prestes a testar um novo design de vela solar que pode tornar as velas solares ainda mais eficazes.
A pressão solar permeia todo o Sistema Solar. Enfraquece com a distância, mas está presente. Afeta todas as naves espaciais, incluindo satélites. Afeta dramaticamente os voos espaciais de longa duração.
Uma espaçonave em missão a Marte pode ser desviada do curso por milhares de quilômetros durante sua viagem pela pressão solar. A pressão também afeta a orientação da espaçonave, e eles foram projetados para lidar com isso.
Embora seja um obstáculo, a pressão solar pode ser usada a nosso favor.
Algumas naves espaciais com velas solares foram lançadas e testadas, começando com a nave espacial Ikaros do Japão em 2010. Ikaros provou que a pressão da radiação do Sol na forma de fótons pode ser usada para controlar uma nave espacial.
A espaçonave com vela solar mais recente é a LightSail 2 da Planetary Society, lançada em 2019. LightSail 2 foi uma missão bem-sucedida que durou mais de três anos.
As espaçonaves de vela solar têm algumas vantagens sobre outras espaçonaves. Seus sistemas de propulsão são extremamente leves e nunca ficam sem combustível. As naves espaciais com vela solar podem realizar missões de forma mais barata do que outras naves espaciais e podem durar mais tempo, embora tenham limitações.
Está agora comprovado que o conceito de vela solar funciona, mas a tecnologia precisa de avançar para que seja verdadeiramente eficaz. Uma parte crítica de uma nave espacial com vela solar são as suas lanças. As lanças sustentam o material da vela; quanto mais leves e fortes forem, mais eficaz será a espaçonave.
Embora as velas solares sejam muito mais leves do que outras naves espaciais, o peso das retrancas ainda é um obstáculo.
“As lanças tendem sendo pesadas e metálicas ou feitas de compósitos leves com um design volumoso – nenhum dos quais funciona bem para as pequenas naves espaciais de hoje.”
Keats Wilkie, investigador principal do ACS3, NASA
A NASA está prestes a lançar um novo design de vela solar com uma melhor estrutura de suporte. Chamado de Advanced Composite Solar Sail System (ACS3), é mais rígido e mais leve do que os designs de lança anteriores. É feito de fibra de carbono e polímeros flexíveis.
Embora as velas solares tenham muitas vantagens, elas também apresentam uma desvantagem crítica. Eles são lançados como pequenos pacotes que devem ser desfraldados antes de começarem funcionando. Esta operação pode ser repleta de dificuldades e induzir estresse na pobre equipe de terra, que tem que esperar e observar para ver se será bem-sucedida.
O ACS3 será lançado com um CubeSat de doze unidades (12U) construído pela NanoAvionics. O objetivo principal é demonstrar a implantação da lança, mas a equipe ACS3 também espera que a missão prove que a sua nave espacial de vela solar funciona.
Para mudar de direção, a espaçonave inclina suas velas. Se a implantação da lança for bem-sucedida, a equipe ACS3 espera realizar algumas manobras com a espaçonave, inclinando as velas e mudando a órbita da espaçonave. O objetivo é construir velas maiores que possam gerar mais impulso.
“A esperança é que as novas tecnologias verificadas nesta nave espacial inspirem outros a utilizá-las de formas que nem sequer consideramos.”
Alan Rhodes, engenheiro-chefe de sistemas ACS3, Centro de Pesquisa Ames da NASA
O design da lança ACS3 foi desenvolvido para superar um problema das lanças: elas são pesadas e finas ou leves e volumosas.
“As lanças tendem sendo pesadas e metálicas ou feitas de compósitos leves com um design volumoso – nenhuma das quais funciona bem para as pequenas naves espaciais de hoje”, disse Keats Wilkie da NASA. Wilke é o investigador principal do ACS3 no Langley Research Center.
“As velas solares precisam de retrancas muito grandes, estáveis e leves que possam dobrar-se de forma compacta. As retrancas desta vela têm formato de tubo e podem ser achatadas e enroladas como uma fita métrica em um pacote pequeno, oferecendo todas as vantagens dos materiais compósitos, como menos flexão e flexão durante as mudanças de temperatura.”
O ACS3 será lançado em um foguete Electron do complexo de lançamento do Rocket Lab na Nova Zelândia. Ele seguirá para uma órbita sincronizada com o Sol, 1.000 km (600 milhas) acima da Terra.
Assim que chegar, a espaçonave desenrolará suas lanças e lançará sua vela. A vela levará cerca de 25 minutos, com uma área de coleta de fótons de 80 metros quadrados, ou cerca de 860 pés quadrados. Isso é muito maior que o LightSail 2, que tinha uma área de vela de 32 metros quadrados ou cerca de 340 pés quadrados.
À medida que se desdobra, as câmeras da espaçonave observarão e monitorarão a forma e a simetria. Os dados das manobras serão utilizados em futuros projetos de velas.
“Sete metros de lanças implantáveis podem se enrolar em um formato que cabe na sua mão”, disse Alan Rhodes, engenheiro-chefe de sistemas da missão no Centro de Pesquisa Ames da NASA. “A esperança é que as novas tecnologias verificadas nesta nave espacial inspirem outros a utilizá-las de formas que nem sequer consideramos.”
ACS3 faz parte do programa Small Spacecraft Technology da NASA. O programa visa implantar pequenas missões que demonstrem rapidamente capacidades únicas.
Com lanças exclusivas de compósito e fibra de carbono, o sistema ACS3 tem potencial para suportar velas de até 2.000 metros quadrados, ou cerca de 21.500 pés quadrados. Isso é cerca de metade da área de um campo de futebol. (Ou, como nossos amigos do Reino Unido chamam erroneamente, um campo de futebol.)
Com velas grandes, os tipos de missões que elas podem mudar. Embora as velas solares tenham sido pequenos modelos de demonstração até agora, o sistema pode potencialmente alimentar algumas missões científicas sérias.
“O Sol continuará a arder durante milhares de milhões de anos, por isso temos uma fonte ilimitada de propulsão. Em vez de lançar enormes tanques de combustível para missões futuras, podemos lançar velas maiores que utilizam o “combustível” já disponível”, disse Rhodes.
“Demonstraremos um sistema que utiliza esse recurso abundante para dar os próximos passos gigantescos na exploração e na ciência”.
As espaçonaves de vela solar não têm o impulso instantâneo que os sistemas de propulsão química ou elétrica têm. Mas o impulso é constante e nunca vacila.
Eles podem fazer coisas que outras espaçonaves têm dificuldade em fazer, como assumir posições únicas que lhes permitam estudar o Sol. Eles podem servir como sistemas de alerta precoce para ejeções de massa coronal e tempestades solares, que representam perigos.
As novas lanças compostas também têm outras aplicações. Por serem tão leves, fortes e compactos, poderiam servir como estrutura estrutural para os habitats lunares e de Marte.
Eles também poderiam ser usados para apoiar outras estruturas, como sistemas de comunicação. Se o sistema funcionar, quem sabe que outras aplicações ele poderá servir?
“Esta tecnologia desperta a imaginação, reimaginando toda a ideia de navegar e aplicando-a às viagens espaciais”, disse Rudy Aquilina, gerente de projeto da missão de vela solar da NASA Ames.
“Demonstrar as habilidades das velas solares e das lanças leves e compostas é o próximo passo no uso desta tecnologia para inspirar missões futuras.”
Publicado em 15/04/2024 13h36
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