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.

Crédito:  Andrew Zimmerman Jones

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.

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Doutorada em Física Nuclear Teórica pela Universidade de Surrey, Reino Unido, e é actualmente Professora do Departamento de Física do Instituto Superior Técnico. Trabalha como cientista em Física Nuclear Teórica, Teoria das Reacções Nucleares, núcleos exóticos produzidos por feixes de iões radioactivos e reacções de interesse Astrofísico. Foi Membro do INTC (2015-2017) (ISOLDE and Neutron Time-of-Flight Experiments Committee). O Laboratório ISOLDE destina-se à produção de feixes de iões radioactivos a baixas energias para aplicação no domínio da Física Nuclear e Atómica, bem como das Ciências dos Materiais e da Vida. Foi membro do Comité Científico R3B/Nustar/FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research in Europe), um novo laboratório internacional (International Acelerator Facility), destinado entre outros a estudar a estrutura da matéria e a evolução do Universo.. Autora e Co-Autora de cerca de 100 publicações científicas em revistas internacionais e edições especiais com referee. Participou em 19 projectos científicos financiados (8 como investigadora principal) e como convidada em diversas palestras internacionais. Membro Internacional de comités de Conferências em Física Nuclear.