Podemos em breve ter a tecnologia necessária para alcançar outros sistemas estelares

A recente confirmação da existência de uma atmosfera ao redor de um exoplaneta rochoso chamado LHS 1140b gerou grande interesse na comunidade astronômica. O planeta orbita dentro da zona habitável em torno de sua estrela-mãe — uma anã vermelha localizada a cerca de 48 anos-luz de distância da Terra.

A zona habitável é a região ao redor de uma estrela - nem tão longe nem tão perto dela - onde a temperatura teoricamente permite que a água permaneça no estado líquido na superfície de um planeta. Os astrônomos detectaram uma perda de hélio a partir da parte superior da atmosfera do LHS 1140b. Mas compostos químicos mais pesados, como a água — um ingrediente essencial para a vida como conhecemos —, podem existir nas camadas mais baixas de sua atmosfera.

A observação de exoplanetas distantes por meio de telescópios abre novas portas para a ciência, mas será que algum dia será possível viajar para esses mundos e estudá-los de perto? Embora isso tenha geralmente sido visto como algo da ficção científica até agora, tecnologias emergentes nos permitem imaginar um futuro em que tais missões sejam possíveis nas próximas décadas.

Há um interesse particular em espaçonaves miniaturizadas para viagens interestelares. Isso se deve, em grande parte, ao fato de que é mais fácil e mais barato impulsionar uma pequena espaçonave para outro sistema estelar — e fazê-la chegar lá ainda durante a vida de uma pessoa — do que fazer o mesmo com um veículo espacial de grandes dimensões.

A miniaturização de sensores tem alcançado grandes avanços, por exemplo, por meio da tecnologia dos smartphones, em que câmeras altamente capazes de baixo peso, consumo de energia e volume são utilizadas rotineiramente. Pesquisadores chegaram a desenvolver a "smart dust": sensores com tamanho na escala de milímetros ou menores, capazes de detectar luz, temperatura ou substâncias químicas.

A sonda espacial em si, por sua vez, precisaria de um sistema de propulsão capaz de acelerá-la até velocidades levemente relativísticas, digamos, 10% a 20% da velocidade da luz. Após uma viagem de muitas décadas, seus sensores passariam voando pelo sistema estelar alvo sem parar, realizando observações in situ e, em seguida, enviando dados muito lentamente de volta à Terra.

Não é exatamente algo saído de "Star Trek", mas é uma ideia potencialmente plausível que nos permitiria estudar de perto estrelas vizinhas e seus planetas. Esse tipo de conceito vem sendo ativamente desenvolvido por um projeto financiado por doações filantrópicas conhecido como Breakthrough Starshot. Esse programa investigou as principais tecnologias necessárias para uma viagem interestelar utilizando pequenas sondas.

As chamadas velas de luz são consideradas uma das formas mais adequadas de propulsão para uma missão assim. Como o nome indica, trata-se de finas membranas reflexivas que acopladas à nave.

Nas viagens interestelares, a energia direcionada de um laser poderia ser usada para "inflar" estas velas e impulsionar a nave espacial. Isso porque os fótons, os pacotes quânticos que compõem a luz, transportam tanto momento quanto energia. Portanto, quando a luz reflete em um espelho, ela exerce uma pressão sobre ele.

Na maioria das circunstâncias, a pressão causada pela luz é imperceptivelmente pequena. No entanto, com um feixe de luz suficientemente intenso e um espelho de membrana ultraleve, a pressão da luz pode atuar como meio de propulsão da espaçonave.

Para acelerar uma vela de luz até velocidades relativísticas, seria necessário um laser potente, com potência efetiva na casa de dezenas de gigawatts. Desta forma, não se trataria de um único dispositivo, mas provavelmente um conjunto de laser separados, sincronizados entre si para gerar um feixe de luz coerente.

Acelerando rumo às estrelas

Empurrar uma vela reflexiva de alguns metros de diâmetro com um laser desse tipo aceleraria a nave até sua velocidade de cruzeiro em questão de minutos.

A vantagem dos sistemas de propulsão por feixe de luz é que o conjunto de laser é deixado para trás e apenas uma pequena carga útil é acelerada rumo às estrelas. Os foguetes convencionais, em contrapartida, precisam carregar todo seu próprio combustível propulsor, o que os coloca em grave desvantagem para missões que exigem energia ultra-alta.

A desvantagem da propulsão por feixes e velas de luz, no entanto, é que a carga útil não consegue frear. Assim, uma eventual sonda atravessaria correndo o sistema estelar de destino em apenas alguns dias.

Embora velas de luz impulsionadas por laser de vários gigawatts possam parecer um pouco improváveis no momento devido à escala colossal de tal empreendimento, os avanços na miniaturização poderiam abrir caminho para que minúsculos nós de sensores inteligentes se tornem nossos primeiros viajantes interestelares.

Talvez viajemos pela primeira vez para as estrelas com uma IA "adormecida ao volante" por décadas, até que ela desperte para alguns dias de atividade frenética, quando nossos representantes robóticos tiverem seu primeiro vislumbre de mundos alienígenas.

Além de impulsionar velas de luz com lasers de gigawatts, membranas reflexivas também podem ser impulsionadas pela pressão da própria luz do Sol. Essas "velas solares" têm uma longa e rica história e foram propostas pela primeira vez na década de 1920 por Konstantin Tsiolkovsky e Friedrich Tsander, dois dos grandes pioneiros russos da astronáutica. Tsiolkovsky escreveu sobre o uso de "espelhos enormes de folhas muito finas".

Ferramentas para a exploração

Enquanto as velas de luz impulsionadas a laser para viagens interestelares ainda são uma ideia para o futuro, as velas solares são para o presente. Várias pequenas velas solares já foram lançadas na órbita da Terra para fins de demonstração tecnológica. Os ganhos de escala das velas solares para missões no espaço profundo poderia proporcionar um novo conjunto de ferramentas para a exploração do nosso Sistema Solar.

Em primeiro lugar, como as velas solares não precisam transportar combustível propulsor, elas são capazes de realizar missões de alta energia e longa duração, algumas das quais praticamente impossíveis de serem realizadas com espaçonaves convencionais. Por exemplo, para se encontrar com um cometa de período longo em uma órbita elíptica ou altamente inclinada em torno do Sol, é necessária uma quantidade significativa de energia.

Além disso, trazer uma amostra da superfície desse cometa de volta à Terra é algo ainda mais difícil. No caso da propulsão convencional com foguetes, a espaçonave precisa transportar combustível para a viagem de volta do cometa alvo.

Para as velas solares, o trabalho de retornar à Terra é praticamente igual a chegar ao cometa. As velas solares podem "virar de rumo" inclinando para ganhar impulso e, assim, afastar-se em espiral do Sol, ou virando para perder impulso e voltar em espiral em direção ao Sol.

As velas solares também podem se mover ao longo de órbitas não convencionais, utilizando a pressão da luz para compensar a gravidade. Por exemplo, isso poderia permitir que uma vela solar pairasse estacionária bem acima dos polos da Terra.

As velas solares e as velas de luz são trampolins do presente para o futuro, e da exploração do nosso próprio Sistema Solar para a exploração de estrelas distantes. Talvez o exoplaneta LHS 1140b seja visitado por uma vela de luz em algum momento no nosso futuro.

Colin McInnes recebe financiamento da Royal Academy of Engineering, do European Research Council e da Advanced Research + Inventions Agency.