O uso da pressão da radiação electromagnética solar numa vela reflectora para propulsão de protótipos de pequena massa já não é ficção científica e já está a ser usada no Espaço!!
A agência aeroespacial JAXA (Japanese Aerospace eXploration Agency) conseguiu provar com sucesso a viabilidade do sistema de propulsão por pressão da luz solar com a nave protótipo IKAROS (Interpanetary Kite-craft Accelerator by Radiation of de Sun) lançada no espaço em Maio de 2010, durante uma missão interplanetária estando o momento de abertura da vela no espaço documentado aqui:
O protótipo IKAROS, é constituído por uma vela reflectora quadrada (com 14 m de largura, 20 m de diâmetro, 0.075 mm de espessura, massa total 310Kg) e pequenos filmes solares, sistema apelidado de “Solar Power Sail” (vela de propulsão por potência solar). Foi monitorizada ao longo da sua viagem por um sistema de câmaras acopladas confirmando-se o princípio de funcionamento da propulsão por pressão da radiação solar, que por sua vez está acoplado a pequenos filmes solares capazes de acelerar e controlar a órbita do protótipo. Fica assim claro que o protótipo IKAROS prova que a pressão da luz solar (análoga à pressão de 10 gramas na área de um hectare) pode acelerar uma pequena vela de material refletor muito fina.
A força de propulsão medida foi cerca de 1.12 mili N (equivalente ao peso de 0.114 gramas sob a acção da gravidade terrestre). A aceleração provocada pela força de propulsão solar é portanto muito pequena, demorando vela 169 dias a percorrer uma distância equivalente entre a Terra e a Lua. A pressão solar para a radiação electromagnética correspondente é 5.7 micro N por metro quadrado. Note-se que a pressão da radiação solar constituída por partículas tem comparativamente um valor desprezável para a pressão.
Uma descrição mais detalhada do protótipo IKAROS pode ser encontrada aqui:
Um pouco de história…
A ideia de usar velas solares como método de propulsão para missões no espaço remonta ao início do século XX. Nos anos 20 deste século, Konstantin Tsiolkovsky (1857-1835) e Fridrikh Tsander (1887-1933) já discutiam a possibilidade de missões interplanetárias usando velas reflectoras de pequena espessura. Em 1976, Carl Sagan promove a ideia da propulsão por pressão da luz solar no programa Americano transmitido pela NBC, “Tonight Show”.
Anos mais tarde, Carl Sagan vem a co-fundar em 1980 a “Planetary Society” , uma Organização Não Governamental sem fins lucrativos destinada a promover o apoio público da exploração espacial, levando a cabo o desenvolvimento da nave espacial por propulsão de pressão solar, a Light Sail 2, esperando-se o seu lançamento para o ano corrente de 2019 . Outros projectos têm igualmente desenvolvidos como se documenta aqui.
Pode encontrar-se uma analogia entre o funcionamento das velas solares e das velas de barco, ou com as asas de um avião. Nestes últimos casos explora-se as diferenças de pressão do vento entre os dois lados da vela ou na “asa”, criando-se uma força perpendicular à vela. O movimento de um barco à vela resulta da combinação das forças que estão aplicadas nas velas e na quilha do barco. Este pode velejar a favor ou contra o vento, fazendo o barco neste último caso, um ângulo com a direcção do vento.
Para compreender a pressão solar exercida numa vela, torna-se mais fácil se interpretarmos a radiação solar como constituída por fotões, quantum de massa zero.
Qualquer partícula com massa (como por exemplo uma bola de ténis) e com velocidade tem associado um momento linear que no limite não relativista é dado pelo produto entre a sua massa e velocidade. Para além disso transporta energia, a sua energia cinética. Ora, os fotões apesar de não terem massa transportam igualmente energia e momento!!
A pressão solar numa vela tem origem na mudança do momento linear dos fotões durante a colisão com a vela reflectora, criando assim a força de propulsão. Em analogia podemos pensar na colisão de uma bola de bilhar de massa muito pequena que ao colidir frontalmente com uma bola de maior massa recua e empurrando para a frente a bola de maior massa.
Mais sobre o “momento” de partículas com massa e fotões
O momento total de um sistema constituído por várias massas com velocidade conserva-se. Este princípio explica por exemplo porque se dá o recuo de uma arma quando se dispara a bala. Também explica o que acontece com a colisão de bolas de bilhar. Por exemplo, quando uma bola leve se desloca com velocidade numa dada direcção e sentido, e choca com uma bola mais pesada que se encontra parada, se o choque for elástico a bola leve recua e a bola pesada move-se na mesma direcção e sentido da bola leve como se exemplifica aqui:
Arthur Holly Compton conseguiu provar que os fotões transportam energia e momento ao estudar a dispersão de raios X energéticos por electrões em átomos (podendo os electrões ser considerados essencialmente como livres) sendo o seu trabalho publicado na Physical Review. Ganhou o Prémio Nobel da Física em 1927 pela sua contribuição para o conceito de partícula associado à radiação electromagnética.
Compton verificou que os raios X dispersados pelos electrões essencialmente livres tinham uma frequência mais baixa (portanto um comprimento de onda mais elevado) contrariamente ao esperado pela Física Clássica.
Tratando os fotões como partículas ou quantum sem massa que transportam energia e momento (relativista) e usando o principio conservação energia e momento para as colisão, Compton conseguiu interpretar os resultados experimentais provando assim o conceito de partícula associado às ondas electromagnéticas.
***Aceite a sugestão do Bit2Geek e leia Oumuamua Fact Check. Pode mesmo ser uma “vela” extraterrestre?
Notas:
O Bit2Geek convidou alguns cientistas (portugueses e estrangeiros), que têm sido anunciados nos artigos anteriores, para começarem a assinar textos de divulgação, que possam esclarecer os leitores sobre a revolução espacial que estamos a viver… Estamos no início da conquista do Espaço, e isso não pode passar despercebido… Por isso o Bit2Geek fez uma aquisição de peso para nos ajudar a perceber melhor estes assuntos, e que passo a apresentar:
O Jorge Pla-García é investigador no Centro de Astrobiologia (CSIC-INTA, associado ao NASA Astrobiology Institute) e investigador associado do Space Science Institute (SSI) em Boulder, Colorado (USA).
Actualmente é membro de quatro equipas científicas de missões da NASA ao planeta vermelho: instrumento meteorológico REMS (Mars Science Laboratory – Curiosity rover), instrumento TWINS (InSight) e instrumento MEDA e Projecto Conselho de Atmosferas (ambos da missão Mars2020). Também trabalhou na missão ExoMars 2020 da Agência Espacial Europeia (ESA) no desenvolvimento do instrumento RLS (Raman Laser Spectrometer).
É Engenheiro Superior Informático pela Universidad Pontifica de Salamanca e tem Mestrados em Ciência e Tecnologia desde o Espaço pela Univerdad de Alcalá, Astronomia e Astrofísica na Valencian International University, Meteorologia e Geofísica na Universidad Complutense de Madrid. É Doutorado em Astrofísica pela Universidad Complutense de Madrid com o título “Mesoscale Meteorological Modeling of Mars mission environments”.
Nos últimos cinco anos tem estado a trabalhar em estudos meteorológicos da Cratera Gale (zona de Marte onde o rover Curiosity aterrou), tem estado a trabalhar também em simulações das condições atmosféricas esperadas para o dia de aterragem da futura missão da NASA, MARS 2020 a fim de minimizar os riscos durante a etapa de entrada atmosférica, descida e aterragem.
É também uma das poucas pessoas que tem o privilégio e a grande responsabilidade de operar o instrumento REMS que está no rover Curiosity, a partir da Terra.
***Leia o artigo do Jorge Pla-Garcia aqui, sobre a sonda InSight, missão essa em que o Jorge participa.
