Um dos aspectos mais desafiadores da exploração espacial e do design de naves espaciais é o planejamento para a reentrada. Mesmo no caso de planetas com pouca atmosfera como Marte, a entrada na atmosfera de um planeta é conhecida por causar uma grande quantidade de calor e atrito. Por esse motivo, as naves espaciais sempre foram equipadas com protetores térmicos para absorver essa energia e garantir que a espaçonave não caia ou queime durante a reentrada.
Infelizmente, a espaçonave atual deve contar com enormes escudos infláveis ou implantados mecanicamente, que geralmente são pesados e complicados de usar. Para resolver isso, um estudante de doutorado da Universidade de Manchester desenvolveu um protótipo para um escudo térmico que contaria com forças centrífugas para enrijecer materiais leves e flexíveis. Este protótipo, que é o primeiro de seu tipo, pode reduzir o custo das viagens espaciais e facilitar futuras missões a Marte.
O conceito foi proposto por Rui Wu, um estudante de doutorado da Escola de Engenharia Mecânica, Aeroespacial e Engenharia Civil de Manchester (MACE). Ele juntou-se a Peter C.E. Roberts e Carl Driver - professor sênior de engenharia de espaçonaves e professor do MACE, respectivamente - e Constantinos Soutis, do Instituto de Pesquisa Aeroespacial da Universidade de Manchester.
Simplificando, planetas com atmosferas permitem que a sonda utilize o arrasto aerodinâmico para desacelerar na preparação para o pouso. Este processo cria uma quantidade enorme de calor. No caso da atmosfera da Terra, são geradas temperaturas de 10.000 ° C (18.000 ° F) e o ar ao redor da espaçonave pode se transformar em plasma. Por esse motivo, as naves espaciais precisam de uma blindagem térmica montada na parte frontal que possa tolerar calor extremo e tem forma aerodinâmica.
Ao implantar em Marte, as circunstâncias são um pouco diferentes, mas o desafio permanece o mesmo. Embora a atmosfera marciana seja inferior a 1% da da Terra - com uma pressão superficial média de 0,636 kPa em comparação com a 101,325 kPa da Terra - a espaçonave ainda exige blindagem térmica para evitar queimaduras e transportar cargas pesadas. O design de Wu resolve potencialmente esses dois problemas.
O design do protótipo, que consiste em um escudo em forma de saia, projetado para girar, procura criar um escudo térmico que possa acomodar as necessidades das missões espaciais atuais e futuras. Como Wu explicou:
“As naves espaciais para missões futuras devem ser maiores e mais pesadas do que nunca, o que significa que os escudos térmicos se tornarão cada vez maiores demais para gerenciar ... As naves espaciais para missões futuras devem ser maiores e mais pesadas do que nunca, o que significa que os escudos térmicos se tornarão cada vez maiores demais para gerenciar . ”
Wu e seus colegas descreveram seu conceito em um estudo recente publicado na revistaArca Astronautica (intitulado "Protetores térmicos flexíveis implantados por força centrífuga"). O projeto consiste em um material avançado e flexível que possui uma tolerância a altas temperaturas e permite fácil dobragem e armazenamento a bordo de uma espaçonave. O material se torna rígido à medida que a blindagem aplica força centrífuga, o que é conseguido girando na entrada.
Até agora, Wu e sua equipe realizaram um teste de queda com o protótipo a uma altitude de 100 m (328 pés) usando um balão (cujo vídeo está publicado abaixo). Eles também conduziram uma análise dinâmica estrutural que confirmou que o escudo térmico é capaz de se envolver automaticamente em uma taxa de rotação suficiente (6 rotações por segundo) quando implantado em altitudes superiores a 30 km (18,64 milhas) - o que coincide com a estratosfera da Terra.
A equipe também conduziu uma análise térmica que indicou que o escudo térmico poderia reduzir as temperaturas do front-end em 100 K (100 ° C; 212 ° F) em um veículo do tamanho CubeSat sem a necessidade de isolamento térmico ao redor do próprio escudo (ao contrário de estruturas infláveis ) O design também é auto-regulável, o que significa que não depende de máquinas adicionais, reduzindo ainda mais o peso de uma espaçonave.
E, diferentemente dos modelos convencionais, seu protótipo é escalável para uso a bordo de naves menores, como o CubeSats. Ao serem equipados com esse escudo, o CubeSats pode ser recuperado depois que eles entrarem novamente na atmosfera da Terra, tornando-se efetivamente reutilizável. Tudo isso está de acordo com os esforços atuais para tornar a exploração e a pesquisa de espaço com boa relação custo-benefício, em parte através do desenvolvimento de peças reutilizáveis e recuperáveis. Como Wu explicou:
“Cada vez mais pesquisas estão sendo realizadas no espaço, mas isso geralmente é muito caro e o equipamento precisa compartilhar uma carona com outros veículos. Como esse protótipo é leve e flexível o suficiente para uso em satélites menores, a pesquisa pode ser facilitada e barata. O escudo térmico também ajudaria a economizar custos em missões de recuperação, pois seu arrasto induzido alto reduz a quantidade de combustível queimado na reentrada. ”
Quando chegar a hora de espaçonaves mais pesadas serem implantadas em Marte, o que provavelmente envolverá missões tripuladas, é inteiramente possível que os protetores térmicos que garantem que eles cheguem à superfície com segurança sejam compostos de materiais leves e flexíveis que giram para se tornar rígidos. Enquanto isso, esse design pode permitir sistemas de entrada leves e compactos para naves espaciais menores, tornando a pesquisa da CubeSat muito mais acessível.
Essa é a natureza da exploração espacial moderna, que tem como objetivo reduzir custos e tornar o espaço mais acessível. E não deixe de conferir também este vídeo do teste de queda da equipe, cortesia de Rui Wui e da equipe MACE:
