Artemis II: como a cápsula Orion regressa à Terra em segurança

Depois de concluírem com sucesso a sua missão à Lua, os tripulantes da Artemis II preparam-se para regressar à Terra.

Os quatro astronautas estabeleceram um novo recorde de distância máxima alcançada por seres humanos em relação ao nosso planeta, chegando aos 406,771 quilómetros.

A etapa final da viagem termina com uma 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 de 10 de abril (hora local).

Esta reentrada será o derradeiro obstáculo de uma missão épica de dez dias. É uma fase que envolve muitos riscos - mas a nave foi concebida com um vasto conjunto de tecnologias para manter a tripulação em segurança.

Uma reentrada rápida

Quando alcançar a atmosfera da Terra, a cápsula Orion que transporta os astronautas da Artemis II estará a deslocar-se a mais de 11 km/s (40,000 km/h). Isto é cerca de 40 vezes mais rápido do que a velocidade típica de um avião comercial.

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

Se, em vez disso, olharmos para a energia cinética - a energia que um objecto tem devido ao seu movimento -, no momento da 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 que regressa a casa, terá de abrandar e reduzir essa energia cinética quase até zero, para que os pára-quedas possam ser abertos e a aterragem na Terra aconteça em segurança.

Para dissipar energia cinética, as naves realizam uma reentrada controlada nas camadas superiores da atmosfera, usando o arrasto aerodinâmico como travão para desacelerar.

Ao contrário de um avião - que, regra geral, é desenhado para ser aerodinâmico e minimizar o arrasto, reduzindo o consumo de combustível -, as naves em reentrada procuram exactamente o oposto. São projectadas para serem o mais “pouco aerodinâmicas” possível, maximizando o arrasto e ajudando a perder velocidade.

Essa desaceleração pode ser particularmente violenta.

A desaceleração e a aceleração são, por norma, descritas em forças g - ou, abreviadamente, em "g's". 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's" em curva, valor próximo do máximo que um ser humano consegue suportar sem desmaiar.

Cápsulas pequenas e não tripuladas, como a cápsula OSIRIS-REx da NASA que trouxe amostras do asteróide Bennu, entram praticamente “a direito” na atmosfera e desaceleram muito rapidamente. Estas entradas são muito curtas, com duração inferior a um minuto. Porém, as forças g nesse cenário podem ultrapassar 100 - o que é aceitável para veículos robóticos, mas não para seres humanos.

Já veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, recorrem a forças de sustentação para prolongar a entrada no tempo. Isso reduz as forças g para níveis mais geríveis, compatíveis com a sobrevivência humana, e faz com que a reentrada dure vários minutos.

Uma reentrada muito quente

A cápsula Orion atravessará a atmosfera a mais de 30 vezes a velocidade do som.

Uma onda de choque irá envolver a nave, gerando temperaturas do ar de 10,000°C ou mais - cerca de duas vezes a temperatura à superfície do Sol.

Esse calor extremo transforma o ar que atravessa a onda de choque num plasma electricamente carregado. Durante algum tempo, isto bloqueia os sinais de rádio, pelo que os astronautas não conseguirão comunicar nas partes mais severas da descida.

Garantir uma reentrada segura

Para sobreviver ao ambiente extremamente agressivo da reentrada, as naves dependem de uma definição cuidadosa das trajectórias, de modo a reduzir o aquecimento tanto quanto possível.

Além disso, a nave dispõe de um sistema de protecção térmica. Na prática, funciona como uma manta isolante que protege o veículo e a sua tripulação - ou a carga - do escoamento hipersónico hostil no exterior.

O sistema de protecção térmica é afinado ao pormenor para cada veículo e para cada missão. Os materiais com maior resistência ao calor são aplicados nas áreas onde se prevê um ambiente mais exigente, e as espessuras também são ajustadas com precisão.

Durante a entrada, esses materiais foram concebidos para incandescer, ficando ao rubro, e para se degradarem - mas sem falhar. Esse brilho vermelho também ajuda a irradiar calor de volta para a atmosfera, em vez de permitir que a nave o absorva.

É graças a este nível de engenharia que a Artemis consegue atravessar ar a 10,000°C mantendo, ainda assim, uma temperatura máxima na superfície do escudo térmico de apenas cerca de 3,000°C.

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

Estes escudos térmicos ablativos absorvem energia e injectam um gás relativamente frio no escoamento junto à superfície do veículo, ajudando a arrefecer o conjunto.

O material ablativo usado no escudo térmico da cápsula Orion chama-se AVCOAT. Trata-se de uma versão do material que protegeu a cápsula Apollo quando regressou da Lua no final da década de 1960 e no 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 superior ao previsto. Em alguns pontos, separaram-se grandes pedaços de material.

Depois de longas inspecções e análises, os engenheiros decidiram avançar na Artemis II com o mesmo tipo de escudo térmico.

Segundo a avaliação da equipa, na Artemis I a perda de material ocorreu devido a um aumento de pressão no interior do escudo durante a fase de "skip" da entrada, em que a nave saiu da atmosfera para arrefecer antes de realizar uma segunda entrada, na qual acabou por amarar.

Para a Artemis II, os engenheiros optaram por ajustar ligeiramente a trajectória: continuar a usar sustentação, mas com um "skip" menos definido.

É impressionante ver aquilo que a NASA e os astronautas já conseguiram nesta missão. Mas, como muitas outras pessoas, vou sentir-me aliviado quando os vir de regresso e recebidos em segurança na Terra.

Chris James, Professor Auxiliar, 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.

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