Em 17 de abril, a empresa SpaceX estava prestes a completar um dos grandes marcos da exploração espacial: o primeiro teste de voo orbital da Starship e o foguete espacial mais poderoso já criado, o Super Heavy. Apenas 40 segundos antes do lançamento, um problema de congelamento em uma das válvulas de pressurização do foguete levou ao cancelamento do voo até o próxima janela de lançamento, marcada para 20 de abril.
Se tudo correr como esperado, a Starship será alimentada pelo Super Heavy por cerca de 3 minutos. A partir daí, ambos serão dissociados. O foguete vai pousar no mar perto do Golfo do México, enquanto a aeronave vai continuar sua trajetória até atingir a órbita terrestre entre 150 e 250 km de altitude. Após uma hora e meia de voo (sem completar a órbita) ele cairá no Oceano Pacífico, a cerca de 400 km da ilha de Kauai, no Havaí.
Porém, A ambição da SpaceX e seu CEO, Elon Musk, é chegar a Marte com uma missão tripulada. Não só chegar, mas também voltar à Terra, o que é um desafio tecnológico já enfrentou na história da exploração espacial.
O importante é voltar de Marte
Um dos principais desafios é a concepção de seu escudo térmico. O principal requisito que deve cumprir, além de garantir a sobrevivência da carga útil ou dos astronautas que transporta, é permitir a reutilização da nave para retorno à Terra. Até o momento, todas as espaçonaves que usaram um escudo térmico semelhante foram expostas a uma única manobra de reentrada na atmosfera terrestre. Neste caso eu teria que suportar dois: o marciano e o de volta à superfície terrestre.
Os programas espaciais usaram cápsulas de reentrada com designs semelhantes por décadas, incluindo as cápsulas Mercury, Gemini, Apollo, Orion e SpaceX Dragon. Todas elas precisa de um escudo térmico para dissipar o calor gerado durante a reentradaque pode representar até 50% de sua estrutura.
Uso de escudos térmicos materiais ablativos, que se decompõem para dissipar o calor transmitido à cápsula pelo fluxo de gases de alta velocidade que envolve o veículo. Durante a reentrada, você pode atingir temperaturas de até 3.000ºC na superfície do escudo, algo incompatível com a vida dos astronautas lá dentro. A resposta combinada do material ablativo e da dissipação de calor por radiação teria que evitar o superaquecimento da estrutura da cápsula e de seu interior.
Imagem: Recuperação da cápsula Dragon logo após pousar com os astronautas da NASA Robert Behnken e Douglas Hurley a bordo no Golfo do México, na costa de Pensacola, Flórida, no domingo, 2 de agosto de 2020.
As cápsulas de reentrada poderiam ser usadas para uma viagem de ida e volta? Realmente não. Estes não são reutilizáveis, devido à elevada degradação que sofrem durante o voo.
O programa do ônibus espacial durante a década de 1970 significou o primeiro passo para o desenvolvimento de veículos de reentrada. O objetivo do escudo térmico em ambos os casos foi o mesmo: minimizar a transferência de calor para o interior do veículo. No entanto, os meios utilizados diferiram significativamente porque o ônibus espacial seguiu uma trajetória baseada em vôo sustentado, menos exigente termicamente, atingindo temperaturas mais baixas.
O design do escudo foi baseado no uso de várias variedades de isolamento térmico, principalmente na forma de telhas, que permitiam uma fácil substituição após a reentrada. Esses ladrilhos consistiam em uma carga de fibra de sílica muito pouco condutora (quase 90% de ar) que foram dotadas da rigidez necessária por meio de um revestimento cujas propriedades também permitiam maximizar a dissipação de calor por radiação.
Imagem: O piloto do SNS-1, Robert L. Crippen, descendo as escadas da espaçonave Columbia após a reentrada na Terra em 14 de abril de 1981.
O ônibus espacial vai reutilizado após a correspondente manutenção entre voos e, se necessário, as telhas danificadas eram substituídas por outras exatamente iguais.
Numa viagem a Marte, em que a Starship terá de fazer uma manobra para entrar na atmosfera marciana, é de esperar que parte do escudo térmico se deteriore devido à as altas temperaturas a que estará exposto. Um processo de reparo seria necessário antes de retornar à Terra.
Porém, isso não estava nos planos de Elon Musk. Em suas palavras: “A Starship precisa estar pronta para voar novamente imediatamente após o pouso. Recondicionamento zero.”
Uma nave espacial de pele dupla
A primeira ideia que veio à mente dos engenheiros da SpaceX foi absolutamente revolucionária.: Um navio de aço inoxidável completamente exposto, sem vestígios de escudo térmico para proteger o navio durante a reentrada. Como se pretendia alcançá-lo?
Se tomarmos como referência a própria natureza, poderíamos nos perguntar como o corpo humano se resfria. O suor, basicamente água, evapora quando entra em contato com um ambiente seco. No entanto, para evaporar a água, ela precisa de energia que retira de nosso próprio corpo, conseguindo assim manter sua temperatura. Este processo é chamado resfriamento evaporativoalgo que carrega sendo usado há décadas na indústria e em usinas térmicas e nucleares como um mecanismo de resfriamento.
Se transferirmos isso para o design da Starship, uma nave espacial com uma pele dupla poderia ser desenvolvida. O mais externo seria poroso, de modo que durante a reentrada um fluxo de metano líquido circularia entre eles, por exemplo, dado a facilidade de obtê-lo em Marte. O metano absorveria muito calor durante a reentrada, evaporando e saindo do veículo pelos poros. Mas é muito complexo.
ladrilhos de cerâmica
A complexidade deste tipo de solução tornava A SpaceX optará por um escudo térmico passivo que tem muitas semelhanças com o ônibus espacial em um nível conceitual.
Nas últimos testes observa-se que praticamente dois terços da superfície da espaçonave serão coberto por mais de 18.000 azulejos (neste caso do tipo cerâmica) de formato hexagonal, dispostos sobre a estrutura de aço inox. Uma espécie de manta feita de fibras de sílica ou alumina será colocada entre as telhas e a estrutura para isolar a estrutura interna do exterior, exposta a temperaturas mais elevadas.
Estas telhas são fixadas através de três pontos de junçãomantendo algum movimento relativo entre eles, exceto nas partes mais críticas do navio, onde é usado um adesivo para reduzir o risco de desprendimento.
A homogeneidade do desenho do escudo torna-o substituição relativamente fácil de telhas danificadas por outros, sem a necessidade de peças de reposição específicas para cada um deles, como foi o caso do Ônibus Espacial.
Juntamente com outras inovações em engenharia e tecnologia, o escudo térmico da Starship abre o caminho para viajar para Martee para outras explorações espaciais de longa distância, que podem ser a chave para o futuro da humanidade no espaço.
David González-Bárcena, Professor Assistente do Departamento de Mecânica dos Fluidos e Propulsão Aeroespacial da ETSIAE e pesquisador do Instituto Universitário de Microgravidade “Ignacio da Riva”, Universidade Politécnica de Madri (UPM)
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation. Leia o original.
