Especialista em hipersônica explica como os astronautas da Artemis II podem sobreviver à reentrada na atmosfera
A reentrada na atmosfera em alta velocidade, hipersônica e com temperaturas extremamente elevadas é o último desafio que a tripulação da Artemis II terá de enfrentar em sua épica missão de 10 dias
Após concluir com sucesso sua missão de sobrevoo da Lua, a tripulação da Artemis II está prestes a retornar à Terra. Os quatro astronautas estabeleceram um novo recorde de distância percorrida pelo homem a partir da Terra, atingindo uma distância máxima de 406.771 quilômetros do nosso planeta natal.
A viagem de volta culminará em uma reentrada na atmosfera terrestre em alta velocidade, hipersônica e extremamente quente, antes que a espaçonave amerisse no Oceano Pacífico, perto da costa da Califórnia, por volta das 20h de 10 de abril no horário local.
A reentrada será o último desafio que a tripulação terá de enfrentar em sua épica missão de dez dias. Ela traz muitos perigos - mas a espaçonave está equipada com uma série de tecnologias para mantê-los em segurança.
Uma reentrada veloz
A cápsula Órion que transporta os astronautas da Artemis II estará viajando a mais de 11 km/s (40.000 km/h) quando atingir a atmosfera terrestre. Isso é 40 vezes mais rápido do que a velocidade máxima de um jato comercial de passageiros.
Se considerarmos a energia cinética, a energia que um objeto tem devido ao seu movimento, durante a reentrada a cápsula Órion terá quase 2.000 vezes mais energia cinética por quilograma de veículo do que um jato de passageiros.
Como qualquer espaçonave retornando à Terra, ela terá que desacelerar e reduzir sua energia cinética a quase zero para que os paraquedas possam ser acionados e ela possa pousar com segurança na Terra.
As espaçonaves reduzem sua energia cinética realizando uma reentrada controlada pela atmosfera superior da Terra, onde utilizam o arrasto aerodinâmico como um freio para desacelerar.
Ao contrário de um avião, que geralmente é projetado para ser aerodinâmico e minimizar as forças de arrasto a fim de reduzir o consumo de combustível, as naves espaciais em reentrada fazem o oposto. Elas são projetadas para serem o menos aerodinâmicas possível, a fim de maximizar o arrasto e ajudá-las a desacelerar.
E essa desaceleração durante a reentrada pode ser extremamente violenta.
A desaceleração e a aceleração são geralmente discutidas em termos de forças g. Trata-se da força de desaceleração ou aceleração dividida pela aceleração padrão que todos sentimos devido à gravidade da Terra. Um piloto de Fórmula 1 experimenta mais de 5 g ao fazer curvas, o que se aproxima das forças g máximas que um ser humano pode suportar sem desmaiar.
Pequenas cápsulas de reentrada não tripuladas, como a cápsula OSIRIS-REx da Nasa, que trouxe amostras do asteroide Bennu, simplesmente mergulham na atmosfera e desaceleram rapidamente. Essas entradas ocorrem muito rapidamente, em menos de um minuto. Mas as forças g nesse caso podem chegar a mais de 100 - o que é adequado para veículos robóticos, mas não para seres humanos.
Veículos tripulados, como a cápsula Órion, usam forças de sustentação para desacelerar a entrada a tempo. Isso reduz as forças g a níveis mais controláveis, nos quais os humanos podem sobreviver, e faz com que a reentrada dure vários minutos.
Uma reentrada muito quente
A cápsula Órion reentrará na atmosfera movendo-se a mais de 30 vezes a velocidade do som.
Uma onda de choque envolverá a espaçonave, criando temperaturas do ar de 10.000°C ou mais - cerca de duas vezes a temperatura da superfície do Sol.
O calor extremo transforma o ar que atravessa a onda de choque em um plasma eletricamente carregado. Isso bloqueia temporariamente os sinais de rádio, de modo que os astronautas não poderão se comunicar durante as partes mais extremas de sua descida.
Garantindo uma reentrada segura
Naves espaciais sobrevivem ao ambiente extremamente hostil da reentrada graças ao planejamento cuidadoso de suas trajetórias, que minimizam o aquecimento tanto quanto possível.
A nave também tem um sistema de proteção térmica. Trata-se, na prática, de uma manta isolante que protege a nave espacial e sua tripulação ou carga do fluxo hipersônico extremo que ocorre no exterior.
O sistema de proteção térmica é projetado especificamente para o veículo e sua missão. Materiais capazes de suportar mais calor são aplicados nas superfícies onde se espera que o ambiente seja mais severo, e as espessuras também são ajustadas com precisão.
Esses materiais são projetados para ficar incandescentes e se degradar durante a reentrada - mas eles sobreviverão. O brilho incandescente também irradia calor de volta para a atmosfera, em vez de permitir que ele seja absorvido pela espaçonave.
É graças a esse projeto preciso que a Artemis consegue atravessar o ar a 10.000°C, mantendo uma temperatura máxima da superfície do escudo térmico de apenas cerca de 3.000°C.
A maioria das naves espaciais é protegida por materiais chamados ablativos. Estes são geralmente feitos de fibra de carbono e um tipo de cola conhecida como resina fenólica.
Esses escudos térmicos ablativos absorvem energia e injetam um gás relativamente frio no fluxo ao longo da superfície do veículo, ajudando a resfriar tudo.
O material do escudo térmico ablativo usado na cápsula Órion é chamado de AVCOAT. Trata-se de uma versão do material que protegeu as cápsulas das naves do programa Apollo quando elas retornaram da Lua nas missões entre final da década de 1960 e início da década de 1970.
Embora a missão Artemis I - um voo de teste não tripulado - tenha sido um grande sucesso, a ablação do escudo térmico durante a reentrada foi muito maior do que o esperado. Grandes pedaços de material se separaram do escudo térmico em alguns pontos.
Após longas inspeções e análises, os engenheiros decidiram seguir em frente com o mesmo tipo de escudo térmico na missão Artemis II.
Eles acreditam que a Artemis I perdeu pedaços de seu escudo térmico devido a um aumento de pressão dentro do material durante a parte de "salto" de sua entrada, quando a espaçonave saiu da atmosfera para esfriar antes de realizar uma segunda entrada, quando pousou.
Para a Artemis II, os engenheiros decidiram, em vez disso, modificar ligeiramente a trajetória para continuar usando a sustentação, mas incluir um "salto" menos definido.
É incrível ver o que a Nasa e os astronautas alcançaram nesta missão até agora. Mas, como muitos outros, ficarei mais aliviado quando os vir sendo recebidos em segurança de volta à Terra.
Chris James recebe financiamento do Australian Research Council, do Commonwealth Defence Science and Technology Group, do US Office of Naval Research e do US Air Force Office of Scientific Research.
Este artigo foi publicado no The Conversation Brasil e reproduzido aqui sob a licença Creative Commons
-1jicu0mh37d5u.jpg)
