Regresso da Artemis II: reentrada da cápsula Orion na Terra

Depois de concluírem com sucesso a missão até a Lua, a tripulação da Artemis II está prestes a regressar à Terra.

Os quatro astronautas estabeleceram um novo recorde de distância alcançada por seres humanos a partir do nosso planeta, chegando a um afastamento máximo de 406,771 quilómetros da Terra.

O regresso 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 do dia 10 de abril, no horário local.

Essa reentrada será o derradeiro obstáculo desta missão épica de dez dias. É uma fase cheia de riscos - mas a nave foi equipada com um conjunto de tecnologias para proteger a tripulação.

Uma reentrada veloz

A cápsula Orion que transporta os astronautas da Artemis II estará a deslocar-se a mais de 11 km/s (40,000 km/h) quando tocar a atmosfera da Terra - uma velocidade cerca de 40 vezes superior à de um avião comercial.

Pode assistir aqui a uma transmissão ao vivo do regresso da tripulação:

Se olharmos, em vez disso, para a energia cinética - a energia que um corpo tem por estar em movimento -, na reentrada a cápsula Orion terá quase 2,000 vezes mais energia cinética por quilograma de veículo do que um avião comercial.

Como qualquer nave que volta para casa, ela precisa de perder velocidade e reduzir essa energia cinética até quase zero, para que os paraquedas possam ser acionados e a aterragem ocorra com segurança.

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

Ao contrário de um avião, que costuma ser desenhado para ser aerodinâmico e minimizar o arrasto a fim de consumir menos combustível, as naves em reentrada seguem a lógica inversa. Elas são projetadas para serem o mais “pouco aerodinâmicas” possível, maximizando o arrasto para ajudar a reduzir a velocidade.

Essa desaceleração pode ser particularmente severa.

A desaceleração e a aceleração são frequentemente expressas em forças g - ou, abreviando, em "g's". Trata-se da força de desaceleração ou aceleração dividida pela aceleração padrão que sentimos devido à gravidade da Terra. Um piloto de Fórmula 1 pode passar de 5 g's ao fazer uma curva, valor próximo do limite máximo que uma pessoa consegue suportar sem desmaiar.

Cápsulas pequenas e não tripuladas, como a cápsula OSIRIS-REx da NASA que trouxe amostras do asteroide Bennu, simplesmente entram na atmosfera “a direito” e desaceleram rapidamente. Esse tipo de entrada é muito curto, durando menos de um minuto. Mas, nesse caso, as forças g podem ultrapassar 100 - algo aceitável para veículos robóticos, porém inviável para seres humanos.

Veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, recorrem a forças de sustentação para prolongar a entrada. Isso reduz as forças g a níveis mais toleráveis para humanos e faz a reentrada durar vários minutos.

Uma reentrada muito quente

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

Uma onda de choque envolverá a nave, elevando a temperatura do ar para 10,000°C ou mais - cerca do dobro da temperatura da superfície do Sol.

Com calor tão extremo, o ar que atravessa a onda de choque transforma-se num plasma eletricamente carregado. Esse fenómeno bloqueia temporariamente sinais de rádio, o que impedirá os astronautas de comunicar durante as partes mais duras da descida.

Como garantir uma reentrada segura

Naves espaciais conseguem suportar um ambiente de reentrada tão agressivo graças ao planeamento cuidadoso das suas trajetórias, de modo a reduzir o aquecimento o máximo possível.

Além disso, a nave leva um sistema de proteção térmica. Na prática, é como uma manta isolante que protege a nave e a sua tripulação (ou carga) do escoamento hipersónico intenso do lado de fora.

Esse sistema é projetado especificamente para cada veículo e para a sua missão. Materiais capazes de suportar mais calor são aplicados nas áreas onde se espera a condição mais severa, e as espessuras também são ajustadas com grande precisão.

Durante a entrada, esses materiais são feitos para ficar incandescentes e degradar-se - ainda assim, sobrevivem. O brilho avermelhado também ajuda a irradiar parte do calor de volta para a atmosfera, em vez de permitir que ele seja absorvido pela nave.

É esse nível de precisão que permite à Artemis atravessar ar a 10,000°C mantendo a temperatura máxima da superfície do escudo térmico em apenas cerca de 3,000°C.

A maior parte das naves usa materiais de proteção chamados ablativos. Em geral, são produzidos com fibra de carbono e um tipo de cola conhecido como resina fenólica.

Esses escudos ablativos absorvem energia e libertam um gás relativamente frio para o escoamento ao longo da superfície do veículo, o que contribui para arrefecer o conjunto.

O material ablativo do escudo térmico da cápsula Orion chama-se AVCOAT. Trata-se de uma versão do mesmo material que protegeu a cápsula Apollo no regresso da Lua no fim 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 maior do que se esperava. Em alguns pontos, grandes pedaços de material separaram-se do escudo.

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

A avaliação é que, na Artemis I, a perda de pedaços do escudo ocorreu devido a um aumento de pressão dentro do material durante a fase de "skip" da entrada - quando a nave saiu da atmosfera para arrefecer antes de realizar uma segunda entrada, na qual amarou.

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

É impressionante ver o que a NASA e os astronautas já conseguiram nesta missão. Ainda assim, como muitas outras pessoas, vou sentir alívio ao vê-los recebidos em segurança de volta à Terra.

Chris James, Senior Lecturer, Centre for Hypersonics, School of Mechanical and Mining Engineering, The University of Queensland

Este artigo foi republicado de The Conversation sob licença Creative Commons. Leia o artigo original.