Artemis II: como será a reentrada segura na Terra

Após concluir com êxito a sua missão à Lua, a tripulação da Artemis II prepara-se para regressar à Terra.

Os quatro astronautas estabeleceram um novo recorde de distância máxima percorrida por seres humanos em relação à Terra, ao atingirem 406,771 quilómetros do nosso planeta.

A viagem de regresso terminará com uma reentrada de alta velocidade, hipersónica e extremamente quente na atmosfera terrestre, antes de a nave amarar no oceano Pacífico, ao largo da costa da Califórnia, por volta das 20h00 de 10 de abril, hora local.

A reentrada será o derradeiro desafio que a tripulação terá de enfrentar nesta missão épica de dez dias. Envolve numerosos perigos, mas a nave dispõe de um conjunto de tecnologias concebidas para manter os astronautas em segurança.

Uma reentrada a grande velocidade

Quando alcançar a atmosfera terrestre, a cápsula Orion que transporta os astronautas da Artemis II deslocar-se-á a mais de 11 km/s (40,000 km/h). Trata-se de uma velocidade 40 vezes superior à de um avião comercial.

Pode acompanhar aqui uma transmissão em direto do regresso da tripulação:

Se considerarmos a energia cinética - a energia que um objeto possui devido ao seu movimento -, no momento da reentrada a cápsula Orion terá, por quilograma de veículo, quase 2,000 vezes mais energia cinética do que um avião comercial.

Como qualquer nave espacial que regressa a casa, terá de abrandar e reduzir a sua energia cinética para quase zero, para que os paraquedas possam ser abertos e a aterragem na Terra decorra em segurança.

As naves espaciais diminuem a energia cinética através de uma reentrada controlada na alta atmosfera terrestre, utilizando o arrasto aerodinâmico contra a atmosfera como travão para desacelerar.

Ao contrário de um avião, normalmente concebido para ser aerodinâmico e minimizar as forças de arrasto a fim de reduzir o consumo de combustível, as naves em reentrada fazem precisamente o oposto. São projetadas para serem o menos aerodinâmicas possível, maximizando o arrasto para facilitar a desaceleração.

A desaceleração durante a reentrada pode ser extremamente severa.

A desaceleração e a aceleração são habitualmente expressas em forças g - ou simplesmente “g”. Esta medida corresponde à força de desaceleração ou aceleração dividida pela aceleração padrão que todos sentimos devido à gravidade da Terra. Um piloto de Fórmula 1 sofre mais de 5 g ao contornar uma curva, valor próximo do máximo que um ser humano consegue suportar sem perder a consciência.

Pequenas cápsulas de reentrada não tripuladas, como a cápsula OSIRIS-REx da NASA, que trouxe amostras do asteroide Bennu, entram diretamente na atmosfera e desaceleram rapidamente. Estas entradas decorrem em menos de um minuto. Contudo, as forças g podem ultrapassar 100 - aceitável para veículos robóticos, mas não para pessoas.

Veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, recorrem a forças de sustentação para prolongar a entrada. Isto reduz as forças g para níveis mais suportáveis pelos seres humanos e faz com que a reentrada dure vários minutos.

Uma reentrada Artemis II extremamente quente

A cápsula Orion voltará a entrar na atmosfera a uma velocidade superior a 30 vezes a velocidade do som.

Uma onda de choque envolverá a nave espacial e produzirá temperaturas do ar de 10,000°C ou mais - cerca do dobro da temperatura à superfície do Sol.

O calor extremo transforma o ar que atravessa a onda de choque num plasma eletricamente carregado. Isto bloqueará temporariamente os sinais de rádio, pelo que os astronautas não poderão comunicar durante as fases mais exigentes da descida.

Como é assegurada uma reentrada segura

As naves espaciais sobrevivem ao ambiente extremamente hostil da reentrada graças a um desenho cuidadoso das suas trajetórias, destinado a minimizar tanto quanto possível o aquecimento.

A nave transporta também um sistema de proteção térmica. Na prática, funciona como uma manta isolante que protege a nave e a sua tripulação ou carga do intenso escoamento hipersónico no exterior.

O sistema de proteção térmica é adaptado com precisão ao veículo e à sua missão. Os materiais capazes de suportar mais calor são aplicados nas superfícies onde se prevê um ambiente mais agressivo, e as respetivas espessuras também são ajustadas rigorosamente.

Estes materiais são concebidos para ficar incandescentes e degradar-se durante a entrada - mas resistirão. O brilho avermelhado também irradia calor de volta para a atmosfera, em vez de permitir que seja absorvido pela nave espacial.

É este projeto rigoroso que permite à Artemis atravessar 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 denominados ablativos. Regra geral, são fabricados com fibra de carbono e um tipo de cola conhecido como resina fenólica.

Estes escudos térmicos ablativos absorvem energia e libertam um gás relativamente frio para o escoamento junto à superfície do veículo, contribuindo para arrefecer todo o sistema.

O material ablativo utilizado no escudo térmico da cápsula Orion chama-se AVCOAT. É uma versão do material que protegeu a cápsula Apollo no seu regresso da Lua, no final da década de 1960 e no 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 superior ao previsto. Em alguns locais, grandes fragmentos de material separaram-se do escudo térmico.

Após inspeções e análises prolongadas, os engenheiros decidiram avançar com o mesmo tipo de escudo térmico na missão Artemis II.

Consideram que a Artemis I perdeu fragmentos do escudo térmico devido à acumulação de pressão no interior do material durante a fase de “salto” da entrada, quando a nave saiu da atmosfera para arrefecer antes de realizar uma segunda entrada que terminou com a aterragem.

Para a Artemis II, os engenheiros optaram por alterar ligeiramente a trajetória, continuando a usar sustentação, mas incluindo um “salto” menos definido.

É extraordinário observar o que a NASA e os astronautas alcançaram até agora nesta missão. Mas, tal como muitas outras pessoas, sentirei alívio quando os vir regressar em segurança à Terra.

Chris James
Professor sénior, Centro de Hipersónica, Escola de Engenharia Mecânica e Mineira, Universidade de Queensland

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.