Num cenário que parece ficção científica, a equipa mostrou que um simples feixe laser consegue empurrar pequenos blocos de aerogel de grafeno para a frente quando quase não há peso. O mais surpreendente é que, sob a gravidade da Terra, essa força praticamente se apaga.
O que poderia ficar como uma curiosidade de laboratório passa, assim, a soar como uma opção realista para mover e orientar naves espaciais sem transportar propelente.
Inside the chamber
Dentro de um tubo de vácuo, durante breves períodos de ausência de peso, minúsculos cubos de aerogel de grafeno avançaram de forma brusca no instante em que foram atingidos pela luz do laser.
Ao seguir esse movimento, investigadores da Universidade Khalifa registaram a resposta mais intensa do material apenas quando a gravidade deixou de o prender ao suporte.
Com gravidade normal, os mesmos cubos exibiram só uma versão muito mais fraca desse deslocamento, o que tornou o resultado em voo bem mais do que um efeito “bonito” de observar.
Esta diferença clara confirma o fenómeno, mas também deixa em aberto a pergunta maior: afinal, o que permite que a luz empurre tanto mais em condições de quase ausência de peso?
Why gravity mattered
Em cada arco parabólico, a aeronave criou cerca de 20 segundos de microgravidade, um estado de quase ausência de peso gerado durante a queda livre.
A gravidade não desapareceu, mas o avião e a carga útil caíram juntos, e por isso as amostras deixaram de sentir a carga que as mantinha “apertadas” no lugar.
Nessa janela, uma amostra percorreu quase duas polegadas (5 centímetros) em 0,05 segundo e atingiu cerca de 5,6 pés por segundo (1,7 metros por segundo).
No solo, o mesmo material conseguiu apenas cerca de 0,6 polegadas (1,5 centímetros) e 0,2 pés por segundo (0,06 metros por segundo), mostrando que a gravidade reduziu o empurrão.
Dialing the push
A potência do laser mudou o resultado, indicando que o movimento não era um abanão aleatório dentro do avião.
Luz mais forte gerou saltos maiores em velocidade e distância, e o pico do impulso surgiu nos primeiros 30 milissegundos.
Este grau de controlo é útil no espaço, porque um sistema de propulsão que responde à intensidade da luz pode ser dirigido com precisão.
Picking the best design
Nem todos os aerogéis de grafeno - uma espuma sólida feita de folhas de grafeno - converteram luz em movimento da mesma forma.
A versão mais leve ficou para trás, a mais densa foi a que viajou mais longe, e o desenho 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 aquecimento desigual, porque o laser aquece a face da frente mais depressa do que a de trás.
Moléculas de gás mais quentes chocam com mais força num dos lados, criando uma força fotoforética - um empurrão causado por diferenças de temperatura num gás rarefeito.
Ao mesmo tempo, o calor a atravessar os poros acelera o gás através da rede, somando os dois efeitos.
Este quadro encaixa numa pista importante do voo: o empurrão subiu de imediato e caiu quando as amostras bateram na parede do tubo.
From lab to flight test
A ideia de a luz empurrar grafeno não começou neste voo, já que equipas anteriores tinham feito grafeno em massa mover-se sob iluminação.
Um artigo de 2015 reportou propulsão direta por luz em grafeno em massa, mostrando que o efeito era real muito antes deste ensaio aéreo.
Essas amostras anteriores confirmaram o conceito, mas não evidenciaram o quanto a própria gravidade suprimia o movimento.
O novo voo fecha essa lacuna, transformando um efeito de laboratório em algo que engenheiros podem medir com vista a missões reais.
Graphene in space sails
Outro estudo, de 2020, impulsionou velas de grafeno sobre grelha em microgravidade, apontando para velas de luz ultraleves para a exploração espacial.
Essas membranas destacaram a pressão direta da luz, enquanto os novos aerogéis parecem ganhar ajuda extra do gás aquecido.
Essa diferença importa, porque uma vela em órbita precisa de impulso eficiente, ao passo que testes em laboratório também exigem forças suficientemente grandes para medir.
O grafeno passa, assim, a ocupar os dois papéis: candidato a futuras velas e material capaz de revelar como a luz se transforma em movimento.
Fuel-free space movement
As naves espaciais pagam caro por cada onça de propelente, por isso qualquer empurrão útil vindo apenas da luz chama logo a atenção dos engenheiros.
“We are opening the path to a propellant-free propulsion future,” disse Ugo Lafont, engenheiro de física e química de materiais na Agência Espacial Europeia.
Velas solares poderiam afinar o seu apontamento, 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 gerado por bomba, e os impactos nas paredes interromperam as melhores medições.
Os investigadores precisam ainda 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 incógnitas, porque mostra onde a física parece mais forte e onde a engenharia tem de evoluir.
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 seguintes conseguirem prolongar esse impulso até manobras fiáveis, futuras naves poderão levar menos combustível e, ainda assim, mover-se com precisão.
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