Artemis II: como a cápsula Orion regressa à Terra

Depois de cumprirem com sucesso a missão até à Lua, a tripulação da Artemis II prepara-se agora para a parte mais “terrena” - e talvez a mais exigente - da viagem: o regresso.

Pelo caminho, os quatro astronautas bateram um recorde de distância máxima percorrida por humanos em relação à Terra, chegando a 406.771 quilómetros do nosso planeta.

O retorno culminará numa 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).

A reentrada será o último grande teste desta missão épica de dez dias. Traz riscos reais - mas a cápsula está equipada com um conjunto de tecnologias pensadas para manter a tripulação em segurança.

A speedy re-entry

A cápsula Orion, com os astronautas da Artemis II, estará a viajar a mais de 11 km/s (40.000 km/h) quando atingir a atmosfera da Terra. Isto é cerca de 40 vezes mais rápido do que a velocidade de cruzeiro de um avião comercial.

You can watch a livestream of the crew's return here:

Se olharmos antes para a energia cinética - a energia que um objeto tem por estar em movimento -, na reentrada a cápsula Orion terá quase 2.000 vezes mais energia cinética por quilograma de veículo do que um avião de passageiros.

Como qualquer nave que regressa a casa, terá de abrandar e reduzir essa energia cinética praticamente a zero, para que os paraquedas possam ser abertos e a aterragem (neste caso, amaragem) seja feita em segurança.

As naves espaciais reduzem a sua energia cinética através de uma reentrada controlada na alta atmosfera, usando o arrasto aerodinâmico do ar como “travão” para desacelerar.

Ao contrário de um avião, que normalmente é desenhado para ser aerodinâmico e minimizar o arrasto (e assim consumir menos combustível), uma nave em reentrada faz o oposto. É concebida para ser o menos aerodinâmica possível, maximizando o arrasto e ajudando a perder velocidade.

Esta desaceleração durante a reentrada pode ser extremamente severa.

A desaceleração e a aceleração são, em geral, descritas em forças g - ou “g’s”. Trata-se da força de desaceleração ou aceleração dividida pela aceleração padrão que sentimos devido à gravidade da Terra. Um piloto de Fórmula 1 pode sentir mais de 5 g em curva, perto 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, simplesmente “entram a direito” na atmosfera e desaceleram rapidamente. Essas entradas são muito curtas, durando menos de um minuto. Mas as forças g podem ultrapassar 100 - aceitável para veículos robóticos, mas não para humanos.

Veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, usam forças de sustentação para alongar a entrada. Isso reduz as forças g para níveis mais geríveis, que os humanos conseguem suportar, e faz com que a reentrada dure vários minutos.

A very hot re-entry

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

Uma onda de choque envolverá a nave, criando temperaturas do ar de 10.000°C ou mais - cerca de duas vezes a temperatura da superfície do Sol.

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

Making sure it's a safe re-entry

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

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

O sistema de proteção térmica é ajustado com precisão ao veículo e à missão. Os materiais que suportam mais calor são colocados nas superfícies onde se espera o pior ambiente, e as espessuras também são afinadas ao detalhe.

Estes materiais foram concebidos para incandescer e degradar-se durante a entrada - mas resistem. O brilho avermelhado também ajuda a irradiar calor de volta para a atmosfera, em vez de o deixar ser absorvido pela nave.

É este desenho preciso que permite à Artemis atravessar ar a 10.000°C, mantendo uma temperatura máxima na superfície do escudo térmico de apenas cerca de 3.000°C.

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

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

O material ablativo usado no escudo térmico da cápsula Orion chama-se AVCOAT. É uma versão do material que protegeu a cápsula Apollo no regresso da Lua no final dos anos 1960 e início dos anos 1970.

Apesar de a missão Artemis I - um voo de teste não tripulado - ter sido um grande sucesso, a ablação do escudo térmico durante a reentrada foi muito maior do que o esperado. Em alguns pontos, separaram-se grandes pedaços de material do escudo.

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

Acreditam que, na Artemis I, a perda de pedaços do escudo se deveu a uma acumulação de pressão no interior do material durante a fase de “skip” da entrada, em que a nave saiu momentaneamente da atmosfera para arrefecer antes de fazer uma segunda entrada e amarar.

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

É impressionante ver o que a NASA e os astronautas conseguiram nesta missão até agora. Mas, como muitas outras pessoas, vou ficar mais descansado quando os vir regressar em segurança e ser recebidos de volta na Terra.

Chris James, Senior Lecturer, Centre for Hypersonics, School of Mechanical and Mining Engineering, The University of Queensland

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