21/12/2021 - 21:28
Os engenheiros aeroespaciais do MIT estão testando um novo conceito para um veículo espacial flutuante que levita aproveitando a carga natural da lua.
Como não têm atmosfera, a lua e outros corpos sem ar, como asteróides, podem criar um campo elétrico por meio da exposição direta ao sol e ao plasma circundante. Na lua, essa carga superficial é forte o suficiente para levitar a poeira a mais de 1 metro do solo, da mesma forma que a eletricidade estática pode causar arrepios nos cabelos de uma pessoa.
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Engenheiros da NASA e de outros lugares propuseram recentemente o aproveitamento dessa carga natural de superfície para levitar um planador com asas feitas de Mylar, um material que possui naturalmente a mesma carga que as superfícies de corpos sem ar. Eles raciocinaram que as superfícies com cargas semelhantes deveriam se repelir, com uma força que levante o planador do solo. Mas tal projeto provavelmente seria limitado a pequenos asteróides, já que corpos planetários maiores teriam uma atração gravitacional mais forte e contrária.
O veículo espacial levitante da equipe do MIT poderia potencialmente contornar essa limitação de tamanho. O conceito, que se assemelha a um disco voador em forma de disco em estilo retrô, usa minúsculos feixes de íons para carregar o veículo e aumentar a carga natural da superfície. O efeito geral é projetado para gerar uma força repulsiva relativamente grande entre o veículo e o solo, de uma forma que requer muito pouca energia. Em um estudo de viabilidade inicial, os pesquisadores mostram que tal aumento de íons deve ser forte o suficiente para levitar um pequeno veículo de 2 libras na lua e grandes asteróides como Psique.
“Pensamos em usar isso como as missões Hayabusa que foram lançadas pela agência espacial japonesa”, diz o autor principal Oliver Jia-Richards, um estudante de pós-graduação no Departamento de Aeronáutica e Astronáutica do MIT. “Essa espaçonave operou em torno de um pequeno asteróide e implantou pequenos rovers em sua superfície. Da mesma forma, pensamos que uma missão futura poderia enviar pequenos robôs pairando para explorar a superfície da lua e outros asteróides. ”
Os resultados da equipe aparecem na edição atual do Journal of Spacecraft and Rockets . Os co-autores de Jia-Richards são Paulo Lozano, o professor M. Alemán-Velasco de Aeronáutica e Astronáutica e diretor do Laboratório de Propulsão Espacial do MIT; e o ex-aluno visitante Sebastian Hampl, agora na Universidade McGill.
Força iônica
O projeto de levitação da equipe depende do uso de propulsores de íons em miniatura, chamados de fontes de íons de líquido iônico. Esses pequenos bicos microfabricados são conectados a um reservatório contendo líquido iônico na forma de sal fundido à temperatura ambiente. Quando uma tensão é aplicada, os íons do líquido são carregados e emitidos como um feixe através dos bicos com uma certa força.
A equipe de Lozano foi pioneira no desenvolvimento de propulsores iônicos e os usou principalmente para propelir e manobrar fisicamente pequenos satélites no espaço. Recentemente, Lozano viu uma pesquisa mostrando o efeito de levitação da superfície carregada da lua na poeira lunar. Ele também considerou o projeto do planador eletrostático da NASA e se perguntou: poderia um rover equipado com propulsores iônicos produzir força repulsiva e eletrostática suficiente para pairar sobre a lua e asteróides maiores?
Para testar a ideia, a equipe inicialmente modelou um pequeno rover em forma de disco com propulsores de íons que carregavam o veículo sozinho. Eles modelaram os propulsores para enviar íons com carga negativa para fora do veículo, o que efetivamente deu ao veículo uma carga positiva, semelhante à superfície da lua com carga positiva. Mas eles descobriram que isso não era suficiente para tirar o veículo do chão.
“Então pensamos, e se transferirmos nossa própria carga para a superfície para complementar sua carga natural?” Jia-Richards diz.
Ao apontar propulsores adicionais para o solo e enviar íons positivos para amplificar a carga da superfície, a equipe concluiu que o impulso poderia produzir uma força maior contra o veículo espacial, o suficiente para levitá-lo do solo. Eles elaboraram um modelo matemático simples para o cenário e descobriram que, em princípio, ele poderia funcionar.
Com base neste modelo simples, a equipe previu que um pequeno rover, pesando cerca de um quilo, poderia atingir a levitação de cerca de um centímetro do solo, em um grande asteróide como Psique, usando uma fonte de íons de 10 quilovolts. Para obter uma decolagem semelhante na lua, o mesmo rover precisaria de uma fonte de 50 quilovolts.
“Esse tipo de projeto iônico usa muito pouca energia para gerar muita voltagem”, explica Lozano. “A energia necessária é tão pequena que você poderia fazer isso quase de graça.”
Em suspensão
Para ter certeza de que o modelo representava o que poderia acontecer em um ambiente real no espaço, eles executaram um cenário simples no laboratório de Lozano. Os pesquisadores fabricaram um pequeno veículo de teste hexagonal pesando cerca de 60 gramas e medindo aproximadamente o tamanho da palma de uma pessoa. Eles instalaram um propulsor iônico apontando para cima e quatro apontando para baixo, e então suspenderam o veículo sobre uma superfície de alumínio de duas molas calibradas para neutralizar a força gravitacional da Terra. Toda a configuração foi colocada dentro de uma câmara de vácuo para simular o ambiente sem ar da lua e asteróides.
Os pesquisadores também suspenderam uma haste de tungstênio nas molas do experimento e usaram seu deslocamento para medir quanta força os propulsores produziram cada vez que foram disparados. Eles aplicaram várias tensões aos propulsores e mediram as forças resultantes, que então usaram para calcular a altura que o veículo sozinho poderia ter levitado. Eles descobriram que os resultados experimentais combinavam com as previsões do mesmo cenário de seu modelo, dando-lhes a confiança de que suas previsões para pairar um rover sobre Psiquê e a lua eram realistas.
O modelo atual é projetado para prever as condições necessárias para simplesmente alcançar a levitatação, que por acaso estava cerca de 1 centímetro do solo para um veículo de 2 libras. Os propulsores de íons poderiam gerar mais força com maior voltagem para levantar um veículo mais alto do solo. Mas Jia-Richards diz que o modelo precisaria ser revisado, pois não leva em consideração como os íons emitidos se comportariam em altitudes mais elevadas.
“Em princípio, com uma modelagem melhor, poderíamos levitar a alturas muito maiores”, diz ele.
Nesse caso, Lozano diz que futuras missões para a lua e asteróides podem implantar rovers que usam propulsores de íons para pairar e manobrar com segurança em terreno desconhecido e irregular.
“Com um veículo espacial levitando, você não precisa se preocupar com rodas ou peças móveis”, diz Lozano. “O terreno de um asteróide pode ser totalmente irregular, e contanto que você tenha um mecanismo controlado para manter seu rover flutuando, então você pode passar por um terreno muito acidentado e inexplorado, sem ter que se esquivar fisicamente do asteróide.”
