NASA testa o novo sistema de velas solares ACS3

Toda a gente sabe que a energia solar é gratuita e praticamente ilimitada na Terra. O mesmo se aplica às naves espaciais que operam no Sistema Solar interior. No espaço, porém, o Sol faz mais do que fornecer energia elétrica: também emite um fluxo incessante de vento solar.

As velas solares conseguem aproveitar esse vento para impulsionar naves espaciais. A NASA prepara-se para testar um novo desenho de vela solar que poderá tornar esta tecnologia ainda mais eficaz.

A pressão solar está presente em todo o Sistema Solar. Embora diminua com a distância, nunca desaparece. Afeta todas as naves espaciais, incluindo os satélites, e pode ter um impacto expressivo em voos espaciais de maior duração.

Numa missão a Marte, a pressão solar pode desviar uma nave espacial milhares de quilómetros da trajetória prevista durante a viagem. Também interfere com a orientação da nave, pelo que estas são concebidas para lidar com esse efeito.

Apesar de constituir um obstáculo, a pressão solar pode ser aproveitada a nosso favor.

Algumas naves espaciais com velas solares já foram lançadas e testadas, a começar pela Ikaros, do Japão, em 2010. A Ikaros demonstrou que a pressão da radiação solar, sob a forma de fotões, pode ser utilizada para controlar uma nave espacial.

A nave com vela solar mais recente é a LightSail 2, da Planetary Society, lançada em 2019. A LightSail 2 foi uma missão bem-sucedida que durou mais de três anos.

As naves espaciais com velas solares oferecem algumas vantagens face a outros tipos de veículos espaciais. Os seus sistemas de propulsão são extremamente leves e nunca ficam sem combustível. Podem executar missões a um custo inferior e durante mais tempo do que outras naves, embora tenham limitações.

Velas solares e a importância das hastes de suporte

O conceito das velas solares já provou que funciona, mas a tecnologia precisa de evoluir para se tornar verdadeiramente eficaz. Um elemento essencial numa nave com vela solar são as hastes de suporte. Estas sustentam o material da vela: quanto mais leves e resistentes forem, maior será a eficácia da nave.

Embora as velas solares sejam muito mais leves do que outras naves espaciais, o peso das hastes continua a ser um entrave.

A NASA está prestes a lançar um novo desenho de vela solar com uma estrutura de suporte melhorada. Denominado Advanced Composite Solar Sail System (ACS3), é mais rígido e mais leve do que os desenhos anteriores de hastes. É fabricado com fibra de carbono e polímeros flexíveis.

Apesar das suas muitas vantagens, as velas solares têm também uma desvantagem crítica. São lançadas em pequenos volumes e têm de ser abertas antes de poderem começar a funcionar. Esta operação pode estar repleta de dificuldades e deixar a equipa em terra sob tensão, enquanto espera e observa para confirmar se foi bem-sucedida.

O ACS3 será lançado com um CubeSat de doze unidades (12U), construído pela NanoAvionics. O objetivo principal consiste em demonstrar a abertura das hastes, mas a equipa do ACS3 espera igualmente provar que a sua nave com vela solar funciona.

Para alterar a direção, a nave inclina as velas. Se a abertura das hastes for bem-sucedida, a equipa do ACS3 pretende realizar algumas manobras, inclinando as velas e alterando a órbita da nave. O objetivo passa por criar velas maiores, capazes de gerar mais impulso.

O desenho das hastes do ACS3 foi desenvolvido para resolver um problema: as hastes são pesadas e estreitas, ou leves e volumosas.

"As hastes tendem a ser pesadas e metálicas ou feitas de material compósito leve, mas com um desenho volumoso - nenhuma destas opções funciona bem nas pequenas naves espaciais atuais", afirmou Keats Wilkie, da NASA. Wilke é o investigador principal do ACS3 no Langley Research Center.

"As velas solares precisam de hastes muito grandes, estáveis e leves, que possam ser dobradas de forma compacta. As hastes desta vela têm formato tubular e podem ser achatadas e enroladas como uma fita métrica num pequeno volume, ao mesmo tempo que oferecem todas as vantagens dos materiais compósitos, como menor curvatura e flexão perante mudanças de temperatura."

Lançamento e abertura da vela solar ACS3

O ACS3 será lançado num foguetão Electron a partir do complexo de lançamento da Rocket Lab, na Nova Zelândia. Seguirá para uma órbita sincronizada com o Sol, a 1.000 km acima da Terra.

Depois de chegar ao destino, a nave desenrolará as hastes e abrirá a vela. A abertura deverá demorar cerca de 25 minutos, criando uma área de captação de fotões de 80 metros quadrados. Trata-se de uma área muito superior à da LightSail 2, cuja vela tinha 32 metros quadrados.

Durante a abertura, câmaras instaladas na nave irão observar e acompanhar a forma e a simetria da vela. Os dados obtidos nas manobras contribuirão para futuros desenhos de velas.

"Sete metros de hastes extensíveis podem ser enrolados numa forma que cabe na mão", explicou Alan Rhodes, engenheiro-chefe de sistemas da missão no Ames Research Center da NASA. "Esperamos que as novas tecnologias verificadas nesta nave inspirem outras pessoas a utilizá-las de formas que ainda nem sequer considerámos."

O ACS3 integra o programa Small Spacecraft Technology da NASA. Este programa procura lançar rapidamente pequenas missões que demonstrem capacidades únicas.

Com as suas hastes únicas de material compósito e fibra de carbono, o sistema ACS3 tem potencial para suportar velas com até 2.000 metros quadrados. Isto corresponde a cerca de metade da área de um campo de futebol. (Ou, como os nossos amigos do Reino Unido lhe chamam erradamente, um campo de futebol americano.)

Com velas de grandes dimensões, mudam também os tipos de missões que estas podem alimentar. Até agora, as velas solares têm sido pequenos modelos de demonstração, mas o sistema poderá impulsionar missões científicas importantes.

"O Sol continuará a arder durante milhares de milhões de anos, pelo que dispomos de uma fonte ilimitada de propulsão. Em vez de lançarmos enormes depósitos de combustível em futuras missões, podemos lançar velas maiores que utilizam ‘combustível’ já disponível", disse Rhodes.

"Vamos demonstrar um sistema que usa este recurso abundante para dar os próximos passos gigantes na exploração e na ciência."

Aplicações futuras das velas solares

As naves espaciais com velas solares não dispõem do impulso instantâneo dos sistemas de propulsão química ou elétrica. No entanto, o impulso é constante e praticamente não varia.

Podem realizar tarefas que representam um desafio para outras naves, como ocupar posições únicas que lhes permitem estudar o Sol. Também podem funcionar como sistemas de alerta precoce para ejeções de massa coronal e tempestades solares, que representam perigos.

As novas hastes compósitas têm ainda outras aplicações. Por serem tão leves, resistentes e compactas, poderão servir de estrutura para habitats na Lua e em Marte.

Poderão também ser utilizadas para sustentar outras estruturas, como sistemas de comunicações. Se o sistema funcionar, quem sabe que outras aplicações poderá ter?

"Esta tecnologia desperta a imaginação, reinventando toda a ideia de navegar e aplicando-a às viagens espaciais", afirmou Rudy Aquilina, gestor do projeto da missão de vela solar no NASA Ames.

"Demonstrar as capacidades das velas solares e das hastes leves de material compósito é o próximo passo para usar esta tecnologia e inspirar futuras missões."

Este artigo foi publicado originalmente pela Universe Today. Leia o artigo original.