Artemis II: a reentrada da cápsula Orion na atmosfera terrestre

Depois de cumprir com sucesso a sua missão à Lua, a tripulação da Artemis II prepara-se agora para a última etapa: voltar à Terra.

Ao longo do voo, os quatro astronautas bateram um novo recorde de distância máxima a que seres humanos já viajaram do nosso planeta, atingindo 406.771 quilómetros.

A viagem de regresso vai culminar 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 derradeiro desafio desta missão épica de dez dias. É uma fase com muitos riscos - mas a nave traz um conjunto de tecnologias concebidas para manter a tripulação em segurança.

A speedy re-entry

A cápsula Orion que transporta os astronautas da Artemis II estará a deslocar-se a mais de 11 km/s (40.000 km/h) quando chegar à atmosfera da Terra. Isto é 40 vezes mais rápido do que um avião comercial.

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

Se, em vez disso, considerarmos a energia cinética - a energia que um objeto tem 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.

Como qualquer nave espacial a regressar a casa, terá de abrandar e reduzir essa energia cinética para quase zero, para que os paraquedas possam ser abertos e a aterragem na Terra aconteça em segurança.

As naves espaciais reduzem a energia cinética fazendo uma reentrada controlada pelas camadas superiores da atmosfera, usando o arrasto aerodinâmico como “travão” para desacelerar.

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

Esta desaceleração durante a reentrada pode ser muito severa.

Desaceleração e aceleração são geralmente discutidas em forças g - ou “g’s”, para simplificar. 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 experimentar mais de 5 g em curva, o que está 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 -, entram “a direito” na atmosfera e desaceleram rapidamente. Estas entradas acontecem muito depressa, em menos de um minuto. Mas as forças g, nesse caso, podem ultrapassar 100 - aceitável para veículos robóticos, mas não para humanos.

Veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, usam forças de sustentação para tornar a entrada mais lenta. Isto 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 vai envolver 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 partes mais duras da descida.

Making sure it's a safe re-entry

As naves espaciais sobrevivem ao ambiente extremamente agressivo da reentrada através de um desenho cuidadoso das suas trajetórias, procurando minimizar o aquecimento tanto quanto possível.

A nave também leva 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 que ocorre no exterior.

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

Estes materiais são feitos para incandescer (brilhar a vermelho) e degradar-se durante a entrada - mas resistem. Esse brilho vermelho também irradia calor de volta para a atmosfera, em vez de deixar que seja absorvido pela nave.

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

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

Estes escudos 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 da década de 1960 e início da década de 1970.

Embora a missão Artemis I - um voo de teste não tripulado - tenha 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 na mesma com o mesmo tipo de escudo térmico na missão Artemis II.

Acreditam que, na Artemis I, se perderam pedaços do escudo devido a uma acumulação de pressão no interior do material durante a fase de “salto” (“skip”) da entrada, em que a nave saiu da atmosfera para arrefecer antes de realizar uma segunda entrada e amarar.

Para a Artemis II, os engenheiros optaram por modificar ligeiramente a trajetória, continuando a usar sustentação, mas com um “salto” menos definido.

É incrível ver o que a NASA e os astronautas conseguiram alcançar nesta missão até agora. Mas, como muitos outros, vou ficar mais descansado quando os vir de volta, recebidos em segurança na Terra.

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

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.