Como um laser, em microgravidade, impulsiona aerogel de grafeno para uma propulsão sem propelente

Inside the chamber

Num ambiente sem peso, um simples feixe de laser conseguiu pôr em movimento pequenos blocos de “espuma” de grafeno. O efeito é tão sensível que, sob a gravidade normal da Terra, a força praticamente desaparece.

Isto transforma algo que podia parecer uma curiosidade de laboratório numa possibilidade realista para deslocar e orientar naves espaciais sem transportar propelente.

Dentro de um tubo de vácuo, durante breves períodos de ausência de peso, pequenos cubos de aerogel de grafeno avançaram de imediato assim que a luz do laser os atingiu.

Ao acompanhar esse movimento, investigadores da Universidade Khalifa registaram que a resposta mais forte do material só aparecia quando a gravidade deixava de o “prender” ao sítio.

Com gravidade normal, os mesmos cubos mostraram apenas uma versão atenuada desse deslocamento, tornando o resultado em voo muito mais do que um truque visual.

Essa diferença marcada deixa o fenómeno bem estabelecido, mas também abre uma questão maior: o que, exatamente, permite que a luz empurre com muito mais intensidade em condições de quase ausência de peso?

Why gravity mattered

Durante cada arco parabólico, o avião criou cerca de 20 segundos de microgravidade, um estado de quase ausência de peso produzido durante a queda livre.

A gravidade não desapareceu, mas a aeronave e a carga caíram juntas, e por isso as amostras deixaram de sentir o “peso” que as mantinha fixas.

Nesse intervalo, uma amostra percorreu quase 5 centímetros em 0,05 segundo e atingiu cerca de 1,7 metros por segundo.

No chão, o mesmo material conseguiu apenas cerca de 1,5 centímetros e 0,06 metros por segundo, mostrando que a gravidade reduzia o empurrão.

Dialing the push

A potência do laser alterou o resultado, mostrando que o movimento não era uma vibração aleatória dentro do avião.

Luz mais intensa gerou saltos maiores em velocidade e distância, e o pico do impulso surgiu nos primeiros 30 milissegundos.

Este nível de controlo é valioso no espaço, porque um sistema de propulsão que responde à intensidade luminosa pode ser ajustado com precisão.

Picking the best design

Nem todo o aerogel de grafeno - uma espuma sólida feita de folhas de grafeno - converteu luz em movimento da mesma forma.

A versão mais leve ficou para trás, a mais densa percorreu a maior distância, e o design intermédio entregou o pico de impulso mais acentuado.

Essa amostra intermédia provavelmente equilibrou melhor o tamanho dos poros e o fluxo de calor, permitindo que o gás aquecido empurrasse com eficiência através do material.

O desempenho dependeu da arquitetura, e não apenas de tornar o material o mais leve possível - um aviso útil para engenheiros.

Heat becomes force

A explicação principal começa com um aquecimento desigual, porque o laser aquece a face frontal mais depressa do que a traseira.

Moléculas de gás mais quentes atingem um dos lados com mais força, criando uma força fotoforética - um empurrão causado por diferenças de temperatura num gás rarefeito.

Ao mesmo tempo, o calor a circular pelos poros faz o gás atravessar a rede, pelo que os dois efeitos se somam.

Esta descrição encaixa numa pista importante do voo: o impulso subiu de forma imediata e enfraqueceu quando as amostras embateram na parede do tubo.

From lab to flight test

A ideia de a luz empurrar grafeno não começou neste voo, porque equipas anteriores já tinham feito grafeno maciço mover-se sob iluminação.

Um artigo de 2015 reportou propulsão direta por luz em grafeno maciço, mostrando que o efeito era real muito antes deste teste em voo.

Essas amostras anteriores provaram o conceito, mas não revelaram o quanto a própria gravidade suprimia o movimento.

O novo teste em voo preenche essa lacuna, transformando um efeito de laboratório em algo que engenheiros podem medir para missões reais.

Graphene in space sails

Outro estudo, de 2020, impulsionou velas de grafeno sobre grelha em microgravidade, apontando para velas ultraleves para viagens espaciais.

Essas membranas destacavam a pressão direta da luz, enquanto os novos aerogéis parecem receber ajuda extra do gás aquecido.

A diferença importa, porque uma vela em órbita precisa de impulso eficiente, enquanto testes de laboratório também precisam de forças suficientemente grandes para serem medidas.

O grafeno aparece agora nos dois papéis: candidato a velas futuras e material capaz de mostrar como a luz se transforma em movimento.

Fuel-free space movement

As naves espaciais pagam caro por cada grama de propelente, por isso qualquer empurrão utilizável vindo apenas da luz chama logo a atenção de engenheiros.

“Estamos a abrir o caminho para um futuro de propulsão sem propelente”, disse Ugo Lafont, engenheiro de física e química de materiais na Agência Espacial Europeia.

Velas solares poderiam afinar a sua orientação, e pequenos satélites poderiam ajustar a atitude - a direção para onde a nave aponta no espaço - sem combustível.

Mais espaço para instrumentos e missões mais longas seriam a recompensa, se hardware futuro conseguir repetir estes resultados fora do laboratório.

What remains unknown

Ainda ninguém construiu um motor pronto para voo a partir disto, e a experiência durou apenas frações de segundo.

Os cubos deslocaram-se dentro de tubos de vidro numa câmara com vácuo, e os impactos nas paredes interromperam as corridas mais limpas.

Os investigadores ainda precisam de testes mais longos, vácuo mais profundo e movimento mais livre antes de se saber como o material se comporta no espaço.

Mesmo assim, o resultado reduz as incertezas, porque mostra onde a física parece mais forte e onde a engenharia terá de melhorar.

Future of light propulsion

Aqui, luz, desenho do material e ausência de peso combinaram-se para transformar uma espuma de carbono numa fonte rápida e controlável de movimento.

Se testes de seguimento conseguirem prolongar esse empurrão até se tornar manobragem fiável, futuras naves poderão levar menos combustível e, ainda assim, mover-se com precisão.