É incrível pensar que há telescópios no espaço, agora, direcionando o olhar para objetos distantes por horas, dias e até semanas. Fornecendo um ponto de vista tão estável e preciso que possamos aprender detalhes sobre galáxias, exoplanetas e muito mais.
E então, quando o tempo acabar, a sonda poderá desviar o olhar em outra direção. Tudo sem o uso de combustível.
Tudo graças à tecnologia de rodas de reação e giroscópios. Vamos falar sobre como eles funcionam, como são diferentes e como o fracasso deles terminou missões no passado.
Aqui está a resposta rápida. As rodas de reação permitem que a espaçonave mude sua orientação no espaço, enquanto os giroscópios mantêm um telescópio incrivelmente estável, para que possam apontar para um alvo com alta precisão.
Se você já ouviu episódios suficientes de Astronomy Cast, sabe que eu sempre reclamo das rodas de reação. Sempre parece ser o ponto de fracasso nas missões, terminando-as prematuramente antes que a ciência entre.
Eu provavelmente já usei os termos rodas de reação e giroscópios de forma intercambiável no passado, mas eles servem a propósitos ligeiramente diferentes.
Primeiro, vamos falar sobre rodas de reação. Esse é um tipo de volante usado para alterar a orientação de uma espaçonave. Pense em um telescópio espacial que precisa mudar de um alvo para outro, ou em uma espaçonave que precise voltar à Terra para comunicar dados.
Eles também são conhecidos como rodas de impulso.
Não há resistência do ar no espaço. Quando uma roda gira em uma direção, todo o telescópio gira na direção oposta, graças à Terceira Lei de Newton - você sabe, para cada ação, há uma reação igual e oposta. Com as rodas girando nas três direções, você pode girar o telescópio na direção que desejar.
As rodas são fixas e giram entre 1.000 e 4.000 rotações por minuto, criando um momento angular na espaçonave. Para mudar a orientação da espaçonave, eles mudam a taxa na qual as rodas estão girando.
Isso cria um torque que faz com que a espaçonave mude sua orientação, ou precessão, na direção escolhida.
Essa tecnologia funciona apenas com eletricidade, o que significa que você não precisa usar propulsor para alterar a orientação do telescópio. Desde que você tenha rotores suficientes girando, você pode continuar mudando de direção, usando apenas a energia do sol.
As rodas de reação são usadas em praticamente todas as naves espaciais existentes, desde pequenos Cubesats até o Telescópio Espacial Hubble.
Com três rodas, você pode alterar sua orientação para qualquer ponto em três dimensões. Mas o LightSail 2 da Planetary Society possui apenas uma roda de impulso para mudar a orientação de sua vela solar, de borda para o Sol e depois para a borda lateral para elevar sua órbita apenas com a luz solar.
Obviamente, estamos mais familiarizados com as rodas de reação por causa dos tempos em que falharam, deixando a nave fora de serviço. Missões como o FUSE e o Hayabusa da JAXA.
A perda de rodas de reação da Kepler e a solução engenhosa
O mais famoso é o Telescópio Espacial Kepler da NASA, lançado em 9 de março de 2009 para encontrar planetas orbitando outras estrelas. Kepler foi equipado com 4 rodas de reação. Três eram necessários para manter o telescópio apontado com cuidado para uma região do céu e depois para uma reposição.
Observava que qualquer estrela em seu campo de visão mudasse de brilho por um fator de 1 em 10.000, indicando que um planeta poderia estar passando na frente. Para economizar largura de banda, o Kepler realmente transmitia apenas informações sobre a mudança no brilho das próprias estrelas.
Em julho de 2012, uma das quatro rodas de reação de Kepler falhou. Ele ainda tinha três, que era o mínimo necessário para poder ser estável o suficiente para continuar suas observações. E então, em maio de 2013, a NASA anunciou que o Kepler falhou com outra de suas rodas. Então, reduziu-se para duas.
Isso interrompeu as principais operações científicas do Kepler. Com apenas duas rodas em operação, não era mais possível manter sua posição com precisão suficiente para rastrear o brilho das estrelas.
Embora a missão pudesse ter sido um fracasso, os engenheiros descobriram uma estratégia engenhosa, usando a leve pressão do Sol para atuar como uma força em um eixo. Ao equilibrar perfeitamente a espaçonave à luz do sol, eles foram capazes de continuar usando as outras duas rodas de reação para continuar fazendo observações.
Mas Kepler foi forçado a olhar para o pequeno ponto no céu que se alinhava com sua nova orientação e mudou sua missão científica para procurar planetas orbitando estrelas anãs vermelhas. Ele usou seu propulsor de bordo voltando para a Terra para transmitir dados. O Kepler finalmente ficou sem combustível em 30 de outubro de 2018, e a NASA encerrou sua missão.
Ao mesmo tempo em que o Kepler estava lutando com suas rodas de reação, a missão Dawn da NASA estava tendo problemas com as mesmas rodas de reação.
Rodas de perda de reação do amanhecer
O amanhecer foi lançado em 27 de setembro de 2007 com o objetivo de explorar os dois maiores asteróides do Sistema Solar: Vesta e Ceres. A sonda entrou em órbita em torno de Vesta em julho de 2011 e passou o ano seguinte estudando e mapeando o mundo.
Era para deixar Vesta e partir para Ceres em agosto de 2012, mas a partida foi atrasada em mais de um mês por causa de problemas com suas rodas de reação. A partir de 2010, os engenheiros estavam detectando cada vez mais atrito em uma de suas rodas, de modo que a espaçonave mudou para as três rodas que funcionavam.
E então, em 2012, a segunda de suas rodas também começou a ganhar atrito, e a espaçonave ficou com apenas duas rodas restantes. Não é suficiente para mantê-lo totalmente orientado no espaço usando apenas eletricidade. Isso significava que tinha que começar a usar seu propulsor hidrazina para manter sua orientação durante o restante de sua missão.
Dawn chegou a Ceres e, através do uso cuidadoso de propulsor, foi capaz de mapear este mundo e suas características bizarras de superfície. Finalmente, no final de 2018, a sonda estava sem propulsor e não era mais capaz de manter sua orientação, mapear Ceres ou enviar seus sinais de volta à Terra.
A espaçonave continuará orbitando Ceres, caindo desamparada.
Há uma longa lista de missões cujas rodas de reação falharam. E agora os cientistas pensam que sabem o porquê. Houve um artigo publicado em 2017 que determinou que o próprio ambiente do espaço está causando o problema. À medida que as tempestades geomagnéticas passam pela sonda, elas geram cargas nas rodas de reação que causam um aumento no atrito e as fazem se desgastar mais rapidamente.
Vou colocar um link para um ótimo vídeo de Scott Manley que entra em mais detalhes.
Telescópio Espacial Hubble e seus Giroscópios
O Telescópio Espacial Hubble está equipado com rodas de reação para mudar sua orientação geral, girando o telescópio inteiro sobre a velocidade de um ponteiro dos minutos em um relógio - 90 graus em 15 minutos.
Mas, para permanecer apontado para um único alvo, ele usa outra tecnologia: os giroscópios.
Existem 6 giroscópios no Hubble que giram a 19.200 rotações por minuto. Eles são grandes, maciços e giram tão rápido que sua inércia resiste a qualquer alteração na orientação do telescópio. Funciona melhor com três - combinando as três dimensões do espaço -, mas pode operar com duas, ou mesmo uma, com resultados menos precisos.
Em agosto de 2005, os giroscópios do Hubble estavam desgastados e a NASA passou para o modo de dois giroscópio. Em 2009, durante a Missão de Serviço 4, os astronautas da NASA visitaram o telescópio espacial e substituíram todos os seis giroscópios.
Esta é provavelmente a última vez que os astronautas visitarão o Hubble, e seu futuro depende de quanto tempo esses giroscópios duram.
E quanto a James Webb?
Sei que a simples menção do Telescópio Espacial James Webb deixa todo mundo nervoso. Mais de US $ 8 bilhões de dólares investidos até agora e com lançamento previsto para daqui a dois anos. Ele estará voando para o ponto Terra-Sol L2 Lagrange, localizado a cerca de 1,5 milhão de quilômetros da Terra.
Ao contrário do Hubble, não há como voar pelo James Webb para repará-lo se algo der errado. E vendo quantas vezes os giroscópios falharam, isso realmente parece um ponto fraco perigoso. E se os giroscópios de James Webb falharem? Como podemos substituí-los.
James Webb tem rodas de reação a bordo. Eles são construídos pela Rockwell Collins Deutschland e são semelhantes às rodas de reação nas missões Chandra, EOS Aqua e Aura da NASA - uma tecnologia diferente das rodas de reação com falha em Dawn e Kepler. A missão Aura causou um susto em 2016 quando uma de suas rodas de reação girou, mas foi recuperada após dez dias.
James Webb não está usando giroscópios mecânicos como o Hubble para mantê-lo no alvo. Em vez disso, está usando uma tecnologia diferente chamada giroscópio ressonador hemisférico, ou HRGs.
Eles usam um hemisfério de quartzo que foi moldado com muita precisão para que ressoe de uma maneira muito previsível. O hemisfério é cercado por eletrodos que direcionam a ressonância, mas também detectam pequenas alterações em sua orientação.
Sei que esse tipo de som soa sem sentido, como se fosse alimentado por sonhos de unicórnio, mas você pode experimentar isso por si mesmo.
Segure um copo de vinho e toque-o com o dedo para tocar. O toque é o copo de vinho flexionando para frente e para trás na sua frequência de ressonância. À medida que você gira o vidro, a flexão para frente e para trás também gira, mas fica atrás da orientação de uma maneira muito previsível.
Quando essas oscilações acontecem milhares de vezes por segundo em um cristal de quartzo, é possível detectar movimentos minúsculos e depois explicá-los.
É assim que James Webb permanecerá travado em seus alvos.
Essa tecnologia voou na missão Cassini em Saturno e funcionou perfeitamente. De fato, em junho de 2011, a NASA havia relatado que esses instrumentos haviam experimentado 18 milhões de horas de operação contínua no espaço em mais de 125 naves espaciais diferentes, sem uma única falha. Na verdade, é muito confiável.
Espero que isso esclareça as coisas. As rodas de reação ou momento são usadas para reorientar a espaçonave no espaço, para que possam enfrentar em diferentes direções sem usar propulsor.
Os giroscópios são usados para manter um telescópio espacial apontado com precisão para um alvo, para fornecer os melhores dados científicos. Podem ser rodas giratórias mecânicas ou usam a ressonância de cristais vibrantes para detectar mudanças na inércia.
