Artemis II: como a cápsula Orion regressa à Terra

Depois de concluírem com sucesso a sua missão à Lua, os tripulantes da Artemis II preparam-se agora para regressar à Terra.

Os quatro astronautas estabeleceram um novo recorde de distância a que seres humanos alguma vez estiveram do nosso planeta, atingindo um máximo de 406,771 quilómetros em relação à Terra.

O regresso vai terminar com uma reentrada a 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 20h do dia 10 de abril (hora local).

Esta reentrada será o derradeiro teste que a tripulação terá de enfrentar na sua impressionante missão de dez dias. É uma fase com riscos significativos - mas a nave foi concebida com um conjunto de tecnologias para os mitigar.

Uma reentrada rápida

Quando atingir a atmosfera da Terra, a cápsula Orion que transporta os astronautas da Artemis II estará a deslocar-se a mais de 11 km/s (40,000 km/h). Isto é 40 vezes mais rápido do que a velocidade típica de um avião de passageiros.

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

Se, em alternativa, olharmos para a energia cinética - isto é, a energia que um objeto possui por estar em movimento -, durante a reentrada a cápsula Orion terá quase 2,000 vezes mais energia cinética por quilograma de veículo do que um avião de passageiros.

Tal como acontece com qualquer nave que regressa a casa, será necessário abrandar e reduzir essa energia cinética para praticamente zero, de modo a permitir a abertura de paraquedas e garantir uma aterragem segura na Terra.

As naves espaciais diminuem a sua energia cinética ao realizar uma reentrada controlada nas camadas superiores da atmosfera terrestre, usando o arrasto aerodinâmico da atmosfera como travão para desacelerar.

Ao contrário de um avião, que costuma ser desenhado para ser aerodinâmico e minimizar o arrasto (reduzindo assim o consumo de combustível), uma nave em reentrada faz o oposto: é concebida para ser o menos aerodinâmica possível, maximizando o arrasto para ajudar a perder velocidade.

Esta desaceleração durante a reentrada pode ser extremamente severa.

A desaceleração e a aceleração são normalmente descritas em forças g - ou simplesmente em "g". Trata-se da força de desaceleração ou aceleração dividida pela aceleração padrão que todos sentimos devido à gravidade da Terra. Um piloto de Fórmula 1 pode sentir mais de 5 g ao fazer uma curva, um valor próximo do máximo que um ser humano consegue suportar sem desmaiar.

Pequenas cápsulas de reentrada não tripuladas, como a cápsula OSIRIS-REx da NASA que trouxe amostras do asteroide Bennu, entram na atmosfera de forma direta e desaceleram muito rapidamente. Estas entradas são muito curtas, com menos de um minuto. Porém, as forças g nesses casos podem ultrapassar 100 - aceitável para veículos robóticos, mas não para humanos.

Veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, recorrem a forças de sustentação para prolongar a entrada e reduzir a velocidade ao longo de mais tempo. Isso baixa as forças g para níveis mais controláveis, compatíveis com a sobrevivência humana, e faz com que a reentrada dure vários minutos.

Uma reentrada muito quente

A cápsula Orion vai reentrar na atmosfera deslocando-se a mais de 30 vezes a velocidade do som.

Uma onda de choque irá envolver a nave, levando a temperaturas do ar de 10,000°C ou mais - cerca de duas vezes a temperatura da superfície do Sol.

Este calor extremo transforma o ar que atravessa a onda de choque num plasma eletricamente carregado. Esse plasma bloqueia temporariamente os sinais de rádio, pelo que os astronautas ficarão sem comunicações durante as partes mais severas da descida.

Garantir uma reentrada segura

Para sobreviverem ao ambiente extremamente agressivo da reentrada, as naves espaciais dependem de um desenho cuidadoso das suas trajetórias, de forma a reduzir o aquecimento tanto quanto possível.

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

Esse sistema de proteção térmica é ajustado ao detalhe para cada veículo e para a respetiva missão. Nas superfícies onde se prevê um ambiente mais exigente, são aplicados materiais capazes de suportar mais calor, e as espessuras também são calibradas com precisão.

Durante a entrada, estes materiais são concebidos para incandescer - ficando ao rubro - e para se degradarem, mas sem falharem. O brilho vermelho também ajuda a irradiar calor de volta para a atmosfera, em vez de permitir que seja absorvido pela nave.

É graças a este desenho rigoroso que a Artemis consegue atravessar ar a 10,000°C mantendo, ainda assim, uma temperatura máxima na superfície do escudo térmico de apenas cerca de 3,000°C.

A maioria das naves é protegida por materiais conhecidos como ablativos. Em geral, são feitos de fibra de carbono e de um tipo de cola chamado resina fenólica.

Estes escudos térmicos ablativos absorvem energia e libertam um gás relativamente frio para o escoamento junto à superfície do veículo, ajudando a arrefecer o conjunto.

O material ablativo usado no escudo térmico da cápsula Orion chama-se AVCOAT. Trata-se de uma versão do material que protegeu a cápsula Apollo quando regressou da Lua no final da década de 1960 e no início da década de 1970.

Embora a missão Artemis I - um voo de teste sem tripulação - tenha sido um grande sucesso, a ablação do escudo térmico durante a reentrada foi muito superior ao esperado. Em alguns pontos, grandes pedaços de material separaram-se do escudo.

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

Na avaliação da equipa, a Artemis I perdeu partes do escudo térmico devido a uma acumulação de pressão no interior do material durante a fase de "salto" da entrada, em que a nave saiu da atmosfera para arrefecer antes de realizar uma segunda entrada, na qual acabou por amarar.

Para a Artemis II, os engenheiros optaram por ajustar ligeiramente a trajetória, mantendo o uso de sustentação, mas com um "salto" menos definido.

É impressionante ver o que a NASA e os astronautas já conseguiram alcançar nesta missão. No entanto, como tantas outras pessoas, vou sentir alívio quando os vir de volta, recebidos em segurança na Terra.

Chris James, Professor Auxiliar, Centro de Hipersónica, Escola de Engenharia Mecânica e de Minas, Universidade de Queensland

Este artigo é republicado de A Conversa ao abrigo de uma licença Comuns Criativas. Leia o artigo original.

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