Madeira naves espaciais

Não, a pergunta não é descabida… Foi perguntado em Junho de 2014 por um leitor da Popular Science, se no futuro seria possível construir naves espaciais em madeira, ou em madeira para 3D Printing (e quem diz naves espaciais diz satélites, habitações planetárias, etc – material para o Espaço). Há 4 anos atrás a resposta foi curta e dada por Mike Gruntman, professor de Engenharia Aeroespacial da Universidade do Sul da Califórnia, que liminarmente excluiu a hipótese, respondendo: “Sim, mas estaríamos a pedir para ter problemas!”

Mas porquê a madeira? Em primeiro lugar, os primeiros aviões foram construídos com madeira até o início dos anos 1930. E também no passado houve submarinos construídos em madeira. Aliás a madeira esteve sempre ligada aos primeiros “astronautas”…

Hoje em dia utilizamos a palavra astronauta, ou cosmonauta em russo, ou ainda taikonauta em chinês, para designar uma tripulação que empreenda um voo orbital, para além do limite externo da atmosfera ou seja, tripulantes de uma missão no limite externo e “extremo” da atmosfera, ou onde não se respira sem meios acessórios.

A importância da Madeira na História dos “astronautas”…

madeira polimérica
crédito: wikipédia

Estas primeiras experiências (de realizar missões em ambientes extremos) realizaram-se durante a Primeira Guerra do Peloponeso (415 – 413 BC) que opôs Atenas a Esparta, nomeadamente durante o cerco de Siracusa, quando mergulhadores se aventuraram pela primeira vez em “ambiente de atmosfera extrema” (pois não se respira debaixo de água), com longas varas de madeira oca afim de “limparem” as obstruções que armadilhavam as águas contra os seus navios. Também Alexandre o Grande usou a mesma técnica durante o Cerco de Tyro (332 BC), na campanha que o opôs aos persas.

Há relatos provenientes da Alexandria, no Egipto do século XII da utilização de um submergível em forma de sino, relatos do século XVI atribuídos a Tahbir al-Tayseer, de se ter mergulhado no rio Tejo, junto à cidade de Toledo num engenho do género, em 1562.

Contudo é com toda a certeza que se sabe que em 1578 que William Bourne desenhou o primeiro submarino em madeira, revestido a pele de animais.

Com tal tradição histórica de engenhos construídos em madeira, e pelo facto da madeira ser actualmente um dos materiais utilizados no 3D Printing (que vai sustentar no futuro todos os items que vamos necessitar para a exploração espacial), e ser um material relativamente leve, perguntou-se a Mike Gruntman se vai ser possível usar madeira no futuro, em ambiente espacial.

Até que alguém resolveu fazer a pergunta “parva”…

Gruntman começou por responder que em termos de resistência a madeira é de facto muito boa, e até é possível que esta aguente o stress envolvido num lançamento de um foguetão… O problema começará por se pôr assim que esse foguetão chegar ao Espaço…

Isto porque a madeira que sai da Terra contém uma boa quantidade de água, que no vácuo acabaria por vazar e evaporaria, em particular nos sítios onde os parafusos estão presos. Assim sendo, mesmo que este processo levasse semanas, sem dúvida que a integridade da nave espacial ficaria comprometida. Além disso referiu que quando se está a projectar uma nave espacial, seleccionam-se prioritariamente materiais resistentes ao fogo.

Gruntman também esclareceu que os materiais utilizados na construção de uma nave espacial, além de terem a capacidade de manter a nave “inteira” (com os materiais todos juntos), também cumprem mais duas funções: em primeiro lugar fornecer condutividade térmica, de forma ao calor se poder dissipar por toda a superfície da nave (e esse é um assunto importante, uma vez que no Espaço a nave pode ter apenas um  lado da nave exposto à luz directa do Sol, e outro lado virado para a escuridão do Espaço).

OK, é mesmo complicado usar madeira…

Também pode acontecer que ao ligar os propulsores de uma nave o calor se concentre numa extremidade da nave (ou seja, na zona dos propulsores) e não se dissipe por todo o “casco” da nave, o que fará com que se danifiquem as baterias e componentes ligados aos sistemas críticos. Ou seja, isto era aquilo que aconteceria se usámos em vez de por exemplo alumínio, madeiras fortes como por exemplo a madeira de abeto ou de nogueira.

Além disso Gruntman explica que há também o problema da condutividade eléctrica. Se a madeira estiver a orbitar até 300 milhas acima da Terra o problema poderia até não se notar, porque os excessos energéticos poderiam ser dissipados através do plasma da nave. Mas em órbitas mais altas, onde a condutividade é pobre, a utilização da madeira seria simplesmente desastrosa.

Se a nave resistisse a tudo isto, temos ainda outro problema: é que o envelhecimento da madeira iria fazê-la lançar gases, e esses gases iam danificar os delicados sensores da nave e outros equipamentos, inutilizando-a para as suas funções.

Então não se pode usar madeira no Espaço?

madeira polimérica
Credit: From “Bioinspired Polymeric Woods,” by Zhi-Long Yu et al., in Science Advances, Vol. 4, No. 8; August 10, 2018

A Universidade de Ciência e Tecnologia da China em Hefei, publicou a 10 de Agosto de 2018 um estudo na Science Advances, que foi alvo de notícia agora no inicio de Novembro de 2018 na Scientific American, sobre “madeira”… Ou melhor, sobre “Madeiras Poliméricas Bio-inspiradas”, que são madeiras que têm por base na sua constituição polímeros ou melhor, moléculas sintetizadas a partir de unidades estruturais menores.

Esta madeira sintética criada pelo químico Shu-Hong Yu, foi produzida com a inclusão de quitosana, e que é um polissacarídeo catiônico que se encontra no exoesqueleto de crustáceos (nomeadamente na casca de camarão e de caranguejo). A quitosana tem sido utilizada para cicatrização de feridas, para remoção de componentes alérgicos nos alimentos, e para desintoxicação controlada de drogas.

Esta resina é posteriormente curada a 200 graus Celsius, onde são forjadas fortes ligações químicas: Em primeiro lugar constou-se que a estrutura produzida continha agora canais minúsculos e poros criados pela quitosana, e que transformaram esta madeira num material muito mais resistente embora mantendo o mesmo peso. Mas não só…

Esta madeira não só não leva anos a crescer, como pode ser cruzada com outras fibras naturais e artificiais, reforçando as ligações químicas, e aumentando a sua usabilidade.

Esta nova madeira foi submergida durante 30 dias em ácido forte e quase não enfraqueceu, enquanto a madeira normal perdeu dois terços da sua resistência e 40% da sua capacidade de compressão. Isto acontece porque esta madeira foi concebida para repelir líquidos, nomeadamente a água. Além disso apresenta grande resistência ao fogo, deixando de queimar logo que é retirada do contacto directo com a chama.

A resina polimérica é biodegradável e portanto é uma boa alternativa ecológica, e pensa-se que é uma alternativa ideal para o revestimento de estruturas habitacionais.

Madeira à prova de água e de fogo, é pouco?

madeira polimérica
Crédito: KTH (madeira polimérica transparente)

A madeira polimétrica está definitivamente na moda… Por exemplo em 2016 o Professor Lars Berglund, do Wallenberg Wood Science Center, conseguiu retirar a lignina, um polímero estrutural que bloqueia entre 80 e 95% da luz. Isso contudo não é suficiente para ficar suficientemente transparente para funcionar como um vidro, o que apenas é obtido impregnando-na com acrílico, também conhecido como Plexiglass.

Os benefícios de ter uma madeira resistente e que não bloqueia a luz solar são por demais evidentes no que diz respeito à eficiência energética. Aliás pode até ser este material que vai ajudar a resolver alguns problemas que os colonos de Marte vão ter, como explicámos anteriormente.

A questão é de facto se este material (a madeira polimérica) será suficientemente forte para poder vir a ser utilizado no Espaço? E a nós parece-nos que sim.

E madeira tão forte como o Ferro?

Madeira polimétrica
Crédito: Universidade de Maryland

Cientistas da Universidade de Maryland (EUA), publicaram no início de 2018, um estudo na Revista Nature, anunciando que tinham criado uma “super-madeira”, mais resistente do que o ferro inclusivamente. Esse estudo aliás tem sido muito badalado, e alvo de artigos por exemplo na Science Alert.

Esta super-madeira foi produzida usando um tratamento químico especial seguido de um processo de compressão aquecida. O processo descrito no estudo tem duas etapas. Uma primeira em que a madeira natural é fervida numa mistura de hidróxido de sódio e sulfito de sódio, semelhante àquilo que já se faz para criar a pasta para papel.

E em seguida a madeira passa por uma compressão com vista a colapsar as suas células individuais. Essa compressão é feita no calor, para incentivar novas ligações químicas enquanto a madeira continua a ser comprimida. Durante este processo são retirados os polímeros que lhe retiram a sua consistência, e são mantidos aqueles que são essenciais à sua força ou resistência. O fortalecimento é feito pelo grande número de átomos de hidrogénio ligados às nanofibras da celulose (contidos naturalmente na estrutura da madeira).

E o que permite este processo? Esta madeira é uma alternativa barata e ecológica para substituir o aço, as ligas de titânio, etc, sendo que as ligações químicas resultantes deste procedimento são suficientes para a super-madeira polimétrica ser usada em veículos, edifícios e aeronaves. O material é aliás tão duradouro que até revelou ter resistência balística.

Um dos membros da equipa que desenvolveu este estudo, Teng Li, referiu que esta super-madeira é “forte e resistente, uma combinação normalmente não encontrada na natureza. É tão forte como o aço, mas seis vezes mais leve. É preciso dez vezes mais energia para fraturá-la em relação à madeira natural. E pode ser dobrada e moldada no início do processo”.

Já para outro dos membros da equipa, o engenheiro Huajian Gao da Universidade Brown, aquilo que nos resta é ampliar e acelerar o processo de produção deste material altamente promissor, para o começar a utilizar no design de materiais estruturais leves e de alto desempenho, com um enorme potencial para uma ampla gama de aplicações, onde são desejadas fortes resistências e alta dureza.

Resumindo, quando há 4 anos atrás quando um engenheiro aeroespacial de renome mundial, como Mike Gruntman, que no seu extenso currículo inclui estar ligado às questões de segurança da ISS – International Space Station e de ser um dos top’s da Safety Review Panel da NASA afirmou a madeira no Espaço ia dar mau resultado, em apenas 4 anos foi ultrapassado pelas descobertas científicas. Não por incompetência claro, aliás pelo contrário: a sua extrema competência faz-nos pensar sobre a velocidade dos avanços científicos.

Portanto se a madeira vai ser utilizada no Espaço? A Super-madeira polimérica bioinspirada certamente que sim!

 

***Aceite a sugestão do Bit2Geek e leia Marte Ice House: as habitações para os primeiros colonos de Marte.