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

Investigadores descrevem como um laser consegue impulsionar pequenos blocos de espuma de grafeno em ausência de peso, com uma força que quase desaparece sob a gravidade terrestre.

Este resultado faz a transição de uma curiosidade de laboratório para uma opção credível de deslocar e orientar naves espaciais sem transportar propelente.

Dentro da câmara

No interior de um tubo de vácuo, durante breves intervalos de ausência de peso, minúsculos cubos de aerogel de grafeno avançaram de forma abrupta assim que foram atingidos pela luz do laser.

Ao seguirem esse deslocamento, cientistas da Universidade Khalifa registaram que a resposta mais intensa do material só surgia quando a gravidade deixava de o manter “preso” ao suporte.

Em gravidade normal, os mesmos cubos exibiram apenas uma versão muito atenuada desse movimento, o que tornou o resultado em voo algo bem mais relevante do que uma simples curiosidade visual.

A diferença marcada entre os dois cenários clarifica o fenómeno, mas também deixa em aberto a pergunta central: o que permite, afinal, que a luz empurre com tanta mais eficácia em condições próximas da ausência de peso?

Porque é que a gravidade foi determinante

Em cada arco parabólico, o avião gerou cerca de 20 segundos de microgravidade, um estado de quase ausência de peso obtido durante a queda livre.

A gravidade não desapareceu; contudo, como aeronave e carga útil caíam em conjunto, as amostras deixaram de sentir a carga que as mantinha pressionadas contra o apoio.

Nesse intervalo, uma amostra percorreu quase 5 centímetros em 0.05 segundo e atingiu cerca de 1.7 metros por segundo.

Em terra, o mesmo material conseguiu apenas cerca de 1.5 centímetros e 0.06 metros por segundo, evidenciando que a gravidade reduzia fortemente o empurrão.

Ajustar o empurrão do laser no aerogel de grafeno

A intensidade do laser alterou claramente o resultado, indicando que o efeito não se devia a vibrações aleatórias dentro da aeronave.

Com luz mais intensa, observaram-se aumentos maiores tanto na velocidade como na distância, e o pico do empurrão aconteceu nos primeiros 30 milissegundos.

Este nível de controlo é valioso no espaço, já que um sistema de propulsão que responda à intensidade luminosa pode ser comandado com grande precisão.

Escolher o melhor desenho

Nem todos os aerogéis de grafeno - uma espuma sólida formada por folhas de grafeno - converteram luz em movimento do mesmo modo.

A versão mais leve ficou para trás, a mais densa foi a que avançou mais, e o desenho intermédio foi o que apresentou o pico de impulso mais pronunciado.

É provável que essa amostra intermédia tenha atingido um equilíbrio mais favorável entre tamanho dos poros e condução de calor, permitindo que o gás aquecido atravessasse o material de forma eficiente e gerasse força.

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

Quando o calor se transforma em força

A explicação principal começa com aquecimento desigual: o laser eleva a temperatura da face frontal mais depressa do que a traseira.

Moléculas de gás mais quentes embatem com maior intensidade num dos lados, criando uma força fotoforética - um empurrão associado a diferenças de temperatura num gás rarefeito.

Em paralelo, o calor a atravessar rapidamente a rede de poros conduz o gás pelo interior do material, pelo que os dois efeitos acabam por se somar.

Este enquadramento é coerente com uma pista importante observada em voo: o empurrão subiu de imediato e enfraqueceu quando as amostras embateram na parede do tubo.

Do laboratório ao ensaio em voo

O impulso de grafeno pela luz não começou neste ensaio, uma vez que equipas anteriores já tinham posto grafeno maciço em movimento sob iluminação.

Um artigo de 2015 relatou propulsão directa por luz em grafeno maciço, mostrando que o efeito era real muito antes deste teste aerotransportado.

No entanto, essas amostras iniciais validaram a ideia sem revelar com clareza até que ponto a própria gravidade suprimia o movimento.

O novo ensaio em voo preenche essa lacuna, convertendo um efeito de laboratório em algo que pode ser quantificado com vista a missões reais.

Grafeno em velas espaciais

Outro estudo, em 2020, impulsionou velas de grafeno numa grelha em microgravidade, sugerindo o caminho para velas de luz ultraleves para voo espacial.

Essas membranas destacavam a pressão directa da luz, enquanto os novos aerogéis parecem beneficiar adicionalmente do gás aquecido.

Esta distinção importa, porque uma vela em órbita precisa de impulso eficiente, ao passo que, em testes laboratoriais, também são necessárias forças suficientemente grandes para serem medidas.

Assim, o grafeno surge em dois papéis: como candidato a futuras velas e como material capaz de revelar como a luz se converte em movimento.

Movimento espacial sem combustível

As naves espaciais pagam caro por cada grama de propelente, pelo que qualquer empurrão aproveitável apenas com luz chama de imediato a atenção dos 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 direcção para onde uma nave aponta no espaço - sem consumir combustível.

Se equipamentos futuros conseguirem reproduzir estes resultados fora do laboratório, o prémio seria mais espaço para instrumentos e missões mais longas.

O que ainda falta perceber

Ainda ninguém construiu um motor pronto para voo a partir deste conceito, e a experiência durou apenas fracções de segundo.

Os cubos deslocaram-se dentro de tubos de vidro numa câmara com pressão reduzida, e os impactos nas paredes interromperam as sequências mais “limpas”.

Antes de se saber como o material se comportará no espaço, são necessários testes mais longos, vácuo mais profundo e liberdade de movimento superior.

Mesmo assim, o resultado reduz incertezas, ao mostrar onde a física parece mais robusta e onde a engenharia terá de evoluir.

Futuro da propulsão por luz

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

Se os testes seguintes conseguirem converter esse empurrão em manobras fiáveis, futuras naves poderão transportar menos combustível e ainda assim mover-se com precisão.