No dia 4 de agosto de 2007, o foguete Delta 2 partiu de Cabo Canaveral, na Flórida, rumo ao espaço carregando a espaçonave Phoenix. O destino da Phoenix: o planeta Marte. Sua missão: buscar, durante três meses, possíveis formas de vida, passadas ou presentes. No dia 25 de maio de 2008, 9 meses e 21 dias depois do lançamento do Delta 2, a sonda de 350 kg pousou com sucesso no Pólo Norte do planeta vermelho, carregando 55 kg de instrumentos científicos.
Água de Marte é salgada demais
para sustentar vida, diz estudo
Enquanto a Missão Phoenix procura evidências de vida em Marte, analisando o solo e a água congelada do planeta, cientistas das universidades Harvard e Stone Brook, nos EUA, publicam um estudo sugerindo que a água de marte é salgada demais para sustentar a vida que conhecemos. A descoberta foi feita a partir da análise dos depósitos de sal de rocha marciana de 4 bilhões de anos explorada pelo robô Opportunity e por espaçonaves que orbitam Marte. O estudo foi publicado na edição de 29 de maio de 2008 da revista Science.
A água líquida é exigida por todas as espécies na Terra, e nós assumimos que é o mínimo necessário para haver vida em Marte"" diz o pesquisador Nicholas J.Tosca, de Harvard. "Contudo, para analisar a capacidade de Marte, precisamos considerar a qualidade de sua água. Os limites da vida como conhecemos são definidos pela temperatura, acidez e salinidade da água".
De acordo com o estudo, mesmo há bilhões de ano, a salinidade da água marciana já excedia os níveis em que a vida terrestre pode crescer e sobreviver.
O trabalho principal da sonda é estudar a história da água no ártico marciano, procurar evidências de uma zona habitável no planeta, monitorar o clima na região polar e avaliar o potencial biológico do limite gelo-solo. Um dos coordenadores da Missão Phoenix Mars Lander é o brasileiro Ramon de Paula, radicado nos Estados Unidos desde 1969, que trabalhou no Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) e vem comandando missões para Marte desde 2000. Outro brasileiro no projeto é Nilton Rennó. Cientista da Universidade de Michigan, ele ajudou os cientistas da Nasa a escolher o local de pouso da Phoenix.
JPL/Nasa
Animação mostra a sonda Phoenix já em solo marciano
Marte é um planeta deserto e frio com nenhuma água líquida em sua superfície. Mas no Pólo Norte marciano, água em forma de gelo esconde-se bem abaixo da superfície, como mostram descobertas feitas pela sonda Mars Odissey, em 2002. A sonda Phoenix está atuando na região circumpolar usando um braço robótico para chegar até a camada de gelo, cavando através da superfície protetora do solo. Amostras do gelo e do solo serão levadas para a plataforma da sonda para uma análise científica de seus elementos. Os resultados dessa análise serão enviados à Nasa, a agência espacial norte-americana, e vão contribuir com o Programa de Exploração de Marte.
A Missão Phoenix é liderada pela Universidade do Arizona, com gerenciamento do projeto do Laboratório de Propulsão a Jato (Nasa) e desenvolvimento e parceria com a empresa Lockheed Martin Space Systems. Contribuem para a missão a agência espacial canadense, a Universidade de Neuchatel (Suíça), a Universidade de Copenhague (Dinamarca), o Instituto Max Planck (Alemanha) e o Instituto Meteorológico Finlandês.
Nas próximas páginas você saberá como é a sonda Phoenix e como funcionam os seus instrumentos.
Todos os dados e imagens deste artigo foram fornecidos pela Nasa.
Como é a sonda Phoenix
A Phoenix usa o corpo principal de um módulo de aterrissagem feito para a missão Mars Surveyor, que seria lançada em 2001 e que foi cancelada antes mesmo do lançamento. Durante o ano que antecedeu o lançamento, os cientistas envolvidos no projeto Phoenix realizaram rigorosos testes e algumas adaptações para que a sonda cumprisse sua missão. "A abordagem desses testes foi executar as seqüências da missão atual e integrar os instrumentos de maneira a permitir a análise de todo o sistema aqui mesmo da Terra", explicou Ed Sedivy, gerente do programa da espaçonave Phoenix da Lockheed Martin Space Systems, em Denver, que construiu a sonda.
A sonda tem vários subsistemas que foram atualizados para esta missão:
Tratamento de comandos e dados e controle do processamento do computador da espaçonave;
Energia elétrica, consistindo de painéis solares, baterias e circuitos de conversão associados;
Telecomunicações, garantia de fluxo de dados de e para a Terra
Orientação, navegação e controle para o pouso seguro em Marte;
Propulsão, controle da trajetória com manobras de correção durante o vôo e o pouso;
Integridade da estrutura da espaçonave;
Mecanismos que permitem o movimento dos vários componentes da sonda; e
Controle térmico usando transferência de calor que garante as médias de temperaturas adequadas a todas as partes da Phoenix.
A bordo do deck da Phoenix há um conjunto de instrumentos científicos representando algumas das mais sofisticadas e avançadas tecnologias já enviadas a Marte. As amostras de solo e gelo coletadas pelo braço robótico do módulo de aterrissagem serão analisados pelos instrumentos montados no deck. Um instrumento-chave irá verificar a água e os compostos contendo carbono, aquecendo as amostras de solo em minúsculos fornos e examinando os vapores liberados no quecimento. Outro instrumento irá testar as amostras de solo, adicionando água e analisando a dissolução dos produtos. Câmeras e microscópios irão fornecer informações sobre objetos em dimensões que podem variar em escalas de bilhões - desde coisas que cabem às centenas dentro de um ponto final de uma frase até vistas aéreas tiradas durante a descida. Uma estação meteorológica vai fornecer informações sobre o processo atmosférico da região polar.
As asas negras nos dois lados do corpo principal do módulo são painéis solares que fornecem a energia elétrica necessária. Veja na animação abaixo onde fica cada um dos instrumentos científicos da sonda.
Phoenix chamando Terra
A sonda Phoenix mantém contato constante com a Terra. Isso só é possível com a ajuda da nave espacial de outra missão, a Mars Odyssey. A cada duas horas ela sobrevoa o Pólo Norte de Marte. A Phoenix transmite imagens e dados científicos da superfície para a Odyssey, que retransmite os dados para a rede de antenas da Nasa na Terra (Deep Space Network). Quando os cientistas da Nasa querem transmitir informações ou comandos para a Phoenix, o caminho percorrido pelos dados é inverso. Veja no vídeo abaixo.
JPL/Nasa
Veja como é a comunicação entre a Phoenix e os cientistas na Terra
O braço robótico da Phoenix
JPL/Nasa
Braço robótico da Phoenix, que escava o
solo marciano e coleta amostras para análise
no laboratório da sond
O braço robótico (RA) da Phoenix foi construído pelo Laboratório de Propulsão a Jato da Nasa. O instrumento é essencial para as operações da sonda e foi projetado para cavar fossos, retirar amostras de solo e água e entregar essas amostras aos instrumentos de análise térmica de desprendimento de gás e de microscopia, eletroquímica e condutividade para análise química e geológica detalhada. Com design semelhante ao de uma retroescavadeira, o RA pode operar em quatro movimentos livres: para cima e para baixo, para os lados, para frente e para trás e rotacionando.
O braço robótico mede 2,35 m de comprimento com um junta no meio, que permite ao braço escavar cerca de meio metro abaixo da superfície, profundidade suficiente para chegar onde os cientistas acreditam estar o solo de água em forma de gelo. Na ponta do braço robótico existe uma concha móvel, que inclui dentes afiados e lâminas serrilhadas. Quando o solo de gelo for encontrado, primeiro os dentes afiados serão usados para romper os materiais expostos, e depois as lâmina serrilhadas vão raspar o material do solo rachado. A concha móvel irá, em seguida, passar pelos sulcos feitos e recolher as amostras fragmentadas suficientes para o estudo científico na plataforma da sonda.
Um braço robótico similar foi desenvolvido para o módulo Mars Polar e testado no Vale da Morte em 2000. Conseguiu escavar cerca de 20 centímetros em menos de 4 horas. As condições de solo extremamente duro do Vale da Morte são parecidas com as que a Phoenix encontra em Marte.
A câmera do braço robótico
A câmera do braço robótico foi construída pela Universidade do Arizona e pelo Instituto Max Planck. Ela está acoplada logo acima da concha do braço robótico. O instrumento propicia imagens coloridas e em close:
Da superfície marciana nas vizinhanças da sonda
Das amostras de solo e água congelada nos fossos cavados pelo braço robótico
Da verificação das amostras coletadas na concha antes da análise microscópica, eletroquímica e de condutividade
Do fundo e das laterais do fosso escavado para examinar em detalhes as texturas e a estratificação
Universidade do Arizona
A câmera acoplada no braço robótico faz imagens coloridas
e em close das amostras e dos fossos escavados
Ao examinar a cor e o tamanho dos grãos das amostras da concha, os cientistas podem melhor compreender a natureza do solo e da água congelada no fosso que está sendo escavado pelo braço robótico. As imagens do chão e das paredes laterais podem ajudar a determinar a presença da estratificação resultante das mudanças no clima marciano. A câmera do braço robótico é um captor de imagens em formato de caixa com um sistema de lentes Gauss duplo, facilmente encontrado em muitas câmeras de 35 mm. Dois conjuntos de luz fornecem iluminação da área-alvo. O conjunto superior contém 36 lâmpadas azuis, 18 verdes e 18 vermelhas, e o inferior, 16 azuis, 8 verdes e 8 vermelhas. A câmera tem dois motores: um configura o foco das lentes de 11 mm até o infinito, e a outra abre e fecha a capa transparente antipoeira. A magnificação dos instrumentos é de 1:1 no foco mais próximo, propiciando resoluções de imagens de 23 mícrons por pixel.
A estação meteorológica MET
A estação meteorológica da Phoenix (MET) foi construída pela Agência Espacial Canadense para gravar o clima no Pólo Norte de Marte diariamente usando sensores de temperatura e pressão e um instrumento de detecção de luz e variação (Lidar). Com esses instrumentos, feitos pela MD Robotics, a MET desempenha um papel importante na missão, ao fornecer informações sobre o estado atual da atmosfera polar e como é o ciclo da água entre as fases sólida e gasosa no ártico marciano.
MET Team/CSA
Desenho mostra a localização dos três termômetros (em amarelo) da estação meteorológica carregada pela Phoenix
O Lidar é um instrumento que opera sob os mesmos princípios básicos de um radar, mas usando pulsos de luz de laser em vez de ondas de rádio. O Lidar transmite luz verticalmente dentro da atmosfera, que é refletida para fora das partículas de poeira e gelo. Esses pulsos de luz refletida e seu tempo de retorno ao instrumento do Lidar são analisados, revelando informações sobre o tamanho das partículas atmosféricas e sua localização.
A partir dessa distribuição de partículas de poeira e gelo, cientistas podem fazer importantes inferências sobre como a energia flui dentro da atmosfera polar - informação essencial para a compreensão do tempo marciano. Essas partículas também revelam a formação, duração e movimento das nuvens, da neblina, e das nuvens de poeira, melhorando a compreensão científica dos processos atmosféricos de Marte.
As temperaturas muito baixas do ártico marciano serão medidas com finos termopares de fios, uma tecnologia usada com sucesso nas estações meteorológicas das missões Viking e Pathfinder. Num termopar, a corrente elétrica flui em um circuito fechado de dois metais diferentes (cromo e constantã, no caso da MET) quando uma das duas junções está numa temperatura diferente. Três desses sensores termopares estão localizados em um mastro de 1,2 m para fornecer um perfil de como a temperatura muda com alturas próximas da superfície.
A pressão atmosférica de Marte é bem baixa e exige um sensor de medição bastante sensível. Sensores de pressão similares aos usados na Viking e na Pathfinder fazem parte da MET.
Refletor Estereoscópico de Superfície
Projetado e construído pela Universidade do Arizona, o Refletor Estereoscópico de Superfície (SSI) é os olhos da Phoenix. Ele fornece imagens estereoscópicas panorâmicas em alta resolução do pólo marciano. Usando um sistema óptico avançado, o SSI vai inspecionar o contexto geológico da área de pouso da Phoenix, fornecer uma série de mapas para dar suporte às operações de escavação e medir as nuvens e a poeira atmosféricas.
JPL/Nasa
O SSI fornece imagens tridimensionais tomadas a
dois metros do solo, simulando a altura do olho humano
Situado no topo do mastro, o SSI vai fornecer imagens a uma altura de dois metros acima do solo, quase o tamanho de uma pessoa alta. O instrumento simula o olho humano com seus dois sistemas de lentes ópticas que darão vistas tridimensionais dos terrenos árticos. O SSI também simula a resolução da visão humana, usando um dispositivo de sensor CCD que produz imagens de alta densidade de 1024 x 1024 pixels. Mas o SSI excede a capacidade do olho humano ao usar filtros ópticos e infravermelhos, permitindo capturar imagens multiespectrais de interesses geológico e atmosféricos em 12 faixas de freqüência.
Olhando para baixo, os dados estereoscópicos do SSI vão auxiliar as operações do braço robótico ao produzir modelos digitais de elevação do terreno ao redor. Com esses dados, cientistas e engenheiros terão vistas virtuais tridimensionais da área de escavação. Junto com os dados do Analisador de Microscopia, Eletroquímica e Condutividade (Meca) e do Analisador Térmico de Desprendimento de Gases (Tega), os cientistas podem usar essas vistas tridimensionais para melhor compreender a geomorfologia e mineralogia do local. Engenheiros também usarão essa vistas para comandar as operações de escavação do braço robótico. O SSI também será usado para fornecer imagens multiespectrais das amostras trazidas para o deck da sonda para auxiliar nos resultados dos outros instrumentos científicos.
Olhando para cima, o SSI será usado para estimar as propriedades ópticas da atmosfera marciana em torno da área de pouso. Usando um sistema de imagens por banda estreita, o gravador de imagens irá estimar a densidade da poeira atmosférica,da profundidade óptica dos aerossóis carregados pelo ar, e a abundância dos vapores de água na atmosfera. O SSI também avalia a própria sonda, analisando a quantidade de poeira trazida pelo vento e depositada no módulo. As taxas de depósito de poeira fornecem informações importantes para os cientistas entenderem os processos atmosféricos e de erosão, mas também são críticos para os engenheiros, que estão preocupados com a quantidade de poeira depositada nos painéis solares e a degradaçao de energia associada a isso.
O laboratório de análises da Phoenix
A Phoenix tem um laboratório de análises bastante complexo. Esse laboratório inclui dois instrumentos: o Analisador de Microscopia, Eletroquímica e Condutividade (Meca) e o Analisador Térmico de Desprendimento de Gases (Tega).
Desenvolvido pelo Laboratório de Propulsão a Jato da Nasa, o Meca caracteriza o solo de Marte exatamente como faz um jardineiro: testando o pH e a quantidade de minerais do seu jardim. Ao dissolver pequenas quantidades de solo na água, o Meca determina o nível de acidez (pH), a abundância de minerais como magnésio, a existência de cátions ou cloreto de sódio, ânions de sulfato e brometo, e dióxido de carbono e oxigênio dissolvidos. Olhando através do microscópio, o Meca examina os grãos do solo para ajudar a determinar sua origem e mineralogia. Agulhas espetadas no solo determinam o conteúdo da água e do gelo, e a capacidade do calor e do vapor de água penetrar no solo.
Nasa/JPL
O Meca testa os componentes que caracterizam o solo marciano
O laboratório de química úmida do Meca contém quatro provetas que recebem uma amostra de solo cada. O braço robótico da Phoenix inicia cada experimento colocando uma pequena quantidade de amostra em uma proveta, que está pronta e esperando com uma solução de imersão pré-aquecida e calibrada. Alternando imersão, agitação e medição, o experimento é feito durante um dia inteiro. Ele termina com a adição de dois tabletes químicos. O primeiro contém um ácido para trazer à tona carbo carbonatos e outros elementos que são solúveis apenas em soluções ácidas. O segundo contém reagentes específicos para testar sulfatos e oxidantes do solo.
Os microscópios óptico e de força atômica complementam os experimentos úmidos do Meca. Com imagens desses microscópios, os cientistas examinam a estrutura detalhada das amostras de solo e de água. A detecção de hidratos e minerais de solo argiloso por esses microscópios pode indicar água líquida no passado do solo marciano. O microscópio óptico tem resolução de 4 mícrons por pixel, possibilitando a detecção de partículas que variam de 10 micrômetros até o tamanho de 1mm x 2mm. LEDs ultravioletas vermelhos, verde e azul iluminam as amostras em combinações de cores divergentes para ressaltar, nessas escalas, a estrutura e textura do solo e da água congelada. O microscópio de força atômica fornece imagens das amostras abaixo de 10 nanômetros - a menor escala já examinada em Marte. Usando seus sensores, o microscópio cria um mapa topográfico em escala muito pequena, mostrando a estrutura detalhada do solo e dos grãos de gelo.
Antes da observação pelos microscópios, porém, as amostras são colocadas pelo braço robótico em uma roda contendo 69 substratos diferentes. Os substratos são projetados para distinguir entre diferentes mecanismos de adesão. A roda é girada permitindo diversas interações das amostras com os substratos. Só então essas amostras são examinadas pelos microscópios.
O último instrumento a compor o Meca é a sonda de condutividade térmica e elétrica. A sonda consiste de três pequenas estacas que são inseridas nas pontas da vala escavada. Além de medir a temperatura, a sonda mede as propriedades térmicas do solo que revelam como o calor é transferido, fornecendo aos cientistas uma melhor compreensão da interação da superfície com a atmosfera. Usando as mesmas estacas, a condutividade elétrica é medida para indicar qualquer umidade transiente que possa resultar da escavação.
Análise de gases
O Analisador Térmico de Desprendimento de Gás estuda substâncias que são convertidas em gases durante o aquecimento das amostras recolhidas pelo braço robótico. Desenvolvido pela Universidade do Arizona, em conjunto com a Universidade Estadual do Arizona, o Johnson Space Center e o Ames Research Center, ele fornece aos cientistas da Missão Phoenix dois tipos de informação: a quantidade de energia utilizada durante o aquecimento das amostras e o tipo de gás desprendido durante esse aquecimento.
Nasa/JPL
O Analisador Térmico de Desprendimento de Gás estuda substâncias voláteis produzidas durante o aquecimento das amostras coletadas
Uma de suas ferramentas - o instrumento de análise calorimétrica diferencial - monitora quanta energia é necessária para aumentar a temperatura de uma amostra a uma taxa constante. Isso revela que temperaturas são pontos de transição do estado sólido para o líquido e do líquido para o gasoso para os ingredientes da amostra. Os gases que são liberados no aquecimento vão para o espectômetro de massa, uma ferramenta que pode identificar substâncias químicas.
O Tega tem um conjunto de oito fornos de amostras, oito fornos de referência e um espectrômetro de laser de diodo ajustável. O braço robótico recolhe e tira foto de cada amostra, depois deposita essa amostra em um forno aquecido a 950º C. O espectômetro determina a quantidade de dióxido de carbono e vapor de água liberada das amostras durante o aquecimento. A partir disso, o Tega determina as concentrações de gelos, substâncias voláteis e os minerais voláteis contidos na superfície e na subsuperfície dos mateirais. Os fornos não são reutilizáveis. O Tega foi projetado para analisar oito amostras de solo. Durante cada rodada, um forno de referência vazio é aquecido à mesma temperatura de um forno com a amostra. A diferença na energia exigida para aquecer os fornos pode ser usada para inferir a presença de água em forma de gelo e minerais contendo água ou dióxido de carbono.
Missões em Marte
Desde que foi descoberto, o planeta Marte habita a imaginação de cientistas, cineastas, escritores e amantes do espaço. Se há possibilidade de o ser humano viver em outro planeta, esse planeta seria Marte. E foi partindo dessa premissa que várias missões espaciais foram enviadas ao planeta: satélites, sondas, balões, robôs de superfície, balões, exploradores de subsuperfície. Foram 40, desde que a corrida espacial começou em 1960. A maioria lançada pela antiga União Soviética e pelos EUA. Apenas 13 foram bem-sucedidas.
A primeira missão bem-sucedida foi a Mariner 4, dos EUA, que sobrevoou o planeta em 1964 e enviou 21 imagens. Cinco anos depois, Mariners 6 e 7 enviaram para a Terra 201 imagens do planeta vermelho. Mas foi a Mars 3 Orbiter/Lander, lançada em 1971 pelos soviéticos, a primeira a pousar em solo marciano. Sucesso no pouso, fracasso no envio de dados. A Mars 3 Orbiter obteve dados durante oito meses, mas só conseguiu transmitir para a Terra, 20 segundos - nada, em termos de utilidade para pesquisa. No mesmo ano, os americanos lançaram a Mariner 9, que sobrevoou Marte e enviou mais de 7.000 imagens.
Em 1975, os americanos lançaram duas missões bem-sucedidas: as Viking 1 e 2, que orbitaram e pousaram em Marte, enviando para a Terra dados essenciais para a compreensão do planeta. Só a Viking 2 retornou 16 mil imagens e extensos dados atmosféricos, além de ter realizado os primeiros experimentos de solo. Onze anos depois, a Nasa lançou a Mars Global Surveyor, que retornou mais fotos de Marte do que qualquer outra missão. No mesmo ano, foi lançada a Mars Pathfinder, experimento tecnológico que durou cinco vezes mais tempo do que o previsto e que serviu para direcionar as missões seguintes.
Em 2001, a Nasa lançou a Mars Odyssey, espaçonave que orbitaria Marte e que enviaria as primeiras imagens em alta resolução do planeta. A Mars Odyssey está ativa até hoje e é essencial na comunicação da Missão Phoenix. Sem a Odyssey, os cientistas da missão não conseguiriam enviar ou receber os dados obtidos pela Phoenix em solo marciano.
Em 2003, a agência espacial enviou dois robôs-exploradores para Marte: Spirit e Opportunity, que pousaram em segurança e circularam pelo solo marciano enviando dados impressionantes para a Terra. Os robôs operaram por 15 vezes mais tempo do que o previsto. Mas foi a Mars Reconnaissance Orbiter, lançada em 2005, que retornou a maior quantidade de dados sobre Marte: 26 terabytes de dados - mais do que todas as missões juntas.
A última missão lançada pela Nasa é a Mars Phoenix Lander, cujo objetivo é analisar o solo e a camada de água congelada no Pólo Norte de Marte para ver se a vida existe ou existiu por lá. As pesquisas da Phoenix estão programadas para durar três meses.
Para saber mais sobre o planeta vermelho e as missões de exploração enviadas, consulte os links da próxima página.
Introdução
"Engenharia, prepare-se para velocidade de dobra." Com esse comando, a tripulação da U.S.S. Enterprise de "Jornada nas Estrelas" preparava-se para lançar a espaçonave pelo cosmos a velocidades superluminais. A velocidade de dobra é uma daquelas tecnologias de ficção científica, como o teletransporte e a viagem no tempo, que possuem alguma base científica. Apenas não foi concretizada ainda, entertanto, cientistas estão trabalhando no desenvolvimento de um motor de espaçonave interestelar similar ao motor de matéria-antimatéria da Enterprise.
Espaçonaves movidas a antimatéria como esta poderiam algum dia encurtar uma viagem para Marte de 11 meses para um mês
É improvável que algum motor gere velocidades superluminais. As leis da física nos impedem de fazê-lo, mas seremos capazes de atingir velocidades muito mais rápidas do que os nossos métodos de propulsão atuais permitem. Um motor de matéria-antimatéria nos levará muito além do nosso sistema solar e nos permitirá chegar a estrelas próximas em uma fração do tempo que levaria uma espaçonave impulsionada por um motor de hidrogênio líquido, como os utilizados no ônibus espacial. É como a diferença entre dirigir um carro de corrida Fórmula Indy e um Ford Pinto 1971. No Ford Pinto, você vai acabar atingindo a linha de chegada, mas levará 10 vezes mais tempo do que no carro Fórmula Indy.
Neste artigo iremos avançar algumas décadas no futuro das viagens espaciais para ver uma espaçonave movida a antimatéria e descobrir o que realmente é a antimatéria e como ela será utilizada em um sistema avançado de propulsão.
O que é antimatéria?
Essa não é uma pergunta capciosa. Antimatéria é exatamente o que você pode estar pensando que é - o oposto da matéria normal, da qual é feita a maior parte do nosso universo. Até pouco tempo, a presença da antimatéria no nosso universo era considerada apenas uma teoria. Em 1928, o físico britânico Paul A.M. Dirac revisou a famosa equação de Einstein, E=mc2 e concluiu que Einstein não considerou que o "m" na equação - massa - poderia ter propriedades tanto negativas como positivas. A equação de Dirac (E = + ou - mc2) permitiu considerar a existência de antipartículas no nosso universo. Cientistas, desde então, provaram que existem várias antipartículas.
Essas antipartículas são, literalmente, imagens-espelho da matéria normal. Cada antipartícula possui a mesma massa que a sua partícula correspondente, mas as cargas elétricas são inversas. Aqui vão algumas descobertas sobre antimatéria no século XX:
pósitrons - elétrons com uma carga positiva ao invés de negativa. Descobertos por Carl Anderson em 1932, os pósitrons foram a primeira evidência de que a antimatéria existe;
antiprótons - prótons que possuem uma carga negativa ao invés da carga positiva normal; em 1955, pesquisadores de Berkeley Bevatron produziram um antipróton;
antiátomos - emparelhando pósitrons e antiprótons, cientistas do CERN (em inglês), a Organização Européia para a Pesquisa Nuclear, criaram o primeiro antiátomo; nove átomos de anti-hidrogênio foram criados, cada um durando apenas 40 nanosegundos; já em 1998, pesquisadores do CERN estavam impulsionando a produção de átomos de anti-hidrogênio para 2.000/h.
Quando a antimatéria entra em contato com a matéria normal, essas partículas iguais, mas opostas, colidem para produzir uma explosão emitindo radiação pura, que é emanada a partir do ponto da explosão à velocidade da luz. Ambas as partículas que criaram a explosão são totalmente aniquiladas, deixando para trás outras partículas subatômicas. A explosão que ocorre quando antimatéria e matéria interagem, transforma toda a massa de ambos os objetos em energia. Os cientistas acreditam que esta energia é mais poderosa do que qualquer outra que possa ser gerada por outros métodos de propulsão.
Então, por que ainda não construímos um motor de reação matéria-antimatéria? O problema em desenvolver a propulsão de antimatéria é que há uma falta de antimatéria existente no universo. Se houvesse quantidades iguais de matéria e antimatéria, provavelmente, veríamos essas reações ao nosso redor. Como não existe antimatéria ao nosso redor, nós não vemos a luz que resultaria da sua colisão com a matéria.
É possível que partículas fossem mais numerosas que antipartículas no momento do Big Bang. Como dito acima, a colisão entre partículas e antipartículas destrói ambas. Como pode ter havido mais partículas no início do universo, elas são tudo o que restou. Pode não haver antipartículas naturalmente existentes em nosso universo hoje. Entretanto, cientistas descobriram um possível depósito de antimatéria próximo ao centro da galáxia, em 1977. Se isso realmente existir, significaria que a antimatéria existe naturalmente, eliminando a necessidade de fabricação de nossa própria antimatéria.
Por enquanto, nós teremos que criar a nossa própria antimatéria. Por sorte, existe uma tecnologia disponível para criar antimatéria através da utilização de aceleradores de partículas de alta energia, também chamados de "destroça-átomos". Destroça-átomos, como o CERN, são grandes túneis revestidos com supermagnetos poderosos que os circundam para acelerar os átomos a velocidades próximas à da luz. Quando um átomo é enviado através deste acelerador, ele colide com um alvo, criando partículas. Algumas dessas partículas são antipartículas que são separadas pelo campo magnético. Esses aceleradores de partículas de alta energia produzem apenas um ou dois picogramas de antiprótons por ano. Um picograma é um trilionésimo de um grama. Todos os antiprótons produzidos no CERN em um ano seriam suficientes para acender uma lâmpada elétrica de 100 Watts por 3s. Seriam necessárias toneladas de antiprótons para viajar a destinos interestelares.
Motor de matéria-antimatéria.
Espaçonaves movidas a antimatéria como esta no conceito artístico poderiam nos levar para além do sistema solar a velocidades incríveis
NASA (em inglês) possivelmente está apenas a algumas décadas de desenvolver uma espaçonave movida a antimatéria que cortaria os custos de combustível para uma fração do que custam agora. Em outubro de 2000, cientistas da NASA anunciaram projetos incipientes de um motor movido a antimatéria que poderia gerar um impulso enorme com quantidades pequenas de combustível de antimatéria. A quantidade de antimatéria necessária para abastecer o motor para uma viagem de um ano para Marte poderia ser tão pequeno quanto um milionésimo de grama, de acordo com um relatório da edição daquele mês do Journal of Propulsion and Power (Jornal de Propulsão e Energia). A propulsão de matéria-antimatéria será a propulsão mais eficiente jamais desenvolvida, porque 100% da massa de matéria e antimatéria é convertida em energia. Quando matéria e antimatéria colidem, a energia liberada pela sua aniquilação é cerca de 10 bilhões de vezes maior que a energia química liberada pela combustão de hidrogênio e carbono, o tipo utilizado pelo ônibus espacial. Reações de matéria-antimatéria são 1.000 vezes mais poderosas do que a fissão nuclear produzida em usinas de energia nuclear e 300 vezes mais poderosas que a energia da fusão nuclear. Portanto, motores de matéria-antimatéria têm o potencial de nos levar mais longe com menos combustível. O problema é criar e armazenar a antimatéria. Existem três componentes principais em um motor de matéria-antimatéria:
anéis de armazenagem magnética - a antimatéria precisa ser separada da matéria normal para que os anéis de armazenamento com campos magnéticos possam mover a antimatéria ao redor do anel até que seja necessária para criar energia;
sistema de alimentação - quando a espaçonave necessita de mais energia, a antimatéria será liberada para colidir com um alvo de matéria, o que libera energia;
foguete estato-reator magnético - como um acelerador de partículas na Terra, um estato-reator longo moverá a energia criada pela matéria-antimatéria através de um foguete.
Foto cedida pelo Laboratório para Ciências de Partículas Energéticas da Universidade Estadual da Pensilvânia
Os anéis de armazenamento da espaçonave conterão a antimatéria
Aproximadamente 10 gr de antiprótons seriam combustível suficiente para enviar uma espaçonave tripulada até Marte em um mês. Atualmente, leva quase um ano para uma espaçonave não tripulada chegar a Marte. Em 1996, a Mars Global Surveyor demorou 11 meses para chegar a Marte. Os cientistas acreditam que a velocidade de uma espaçonave movida a matéria-antimatéria permitiria ao homem ir aonde nenhum outro jamais esteve no espaço. Seria possível fazer viagens a Júpiter e até mesmo para além da heliopausa, o ponto no qual a radiação do sol termina. Mas ainda vai levar muito tempo até que os astronautas peçam para que o imediato da espaçonave os impulsionem à velocidade de dobra.
Introdução
O homem já foi à Lua várias vezes, e voar até a órbita da Terra já parece algo rotineiro. O espaço já é um local onde alguns astronautas a bordo da Estação Espacial Internacional permanecem por longos períodos de tempo. No entanto, quando pensamos no tamanho do nosso sistema solar, para não mencionar do universo, parece que ainda estamos engatinhando pelo espaço. Para podermos ir a Marte e outros planetas fora do alcance dos nossos motores de foguete convencionais, a NASA (em inglês) está desenvolvendo vários sistemas de propulsão avançada, incluindo um que usa a energia do Sol.
Foto cedida NASA
Desenho artístico de um veículo espacial, movido à fusão, aproximando-se da lua de Saturno, Titã
Espaçonaves movidas a fusão serão projetadas para recriar os mesmos tipos de reações de alta temperatura que ocorrem no núcleo do Sol. A enorme quantidade de energia, criada por essas reações, será expelida do motor para dar propulsão à nave, o que permitiria que ela chegasse em Marte em apenas três meses, menos da metade do tempo necessário com os motores de foguete convencionais.
Neste artigo, você vai aprender o que é a fusão e quais avanços a NASA fez rumo à construção de uma espaçonave alimentada por fusão.
O que é a fusão?
Nosso planeta se beneficiários dos milhões de reações de fusão nuclear que ocorrem a cada segundo no interior do núcleo do Sol. Sem essas reações, não teríamos luz ou calor, e, provavelmente, nem vida. Uma reação de fusão ocorre quando dois átomos de hidrogênio colidem para criar um átomo maior de hélio-4, liberando energia. O processo funciona assim:
dois prótons se combinam para formar um átomo de deutério (em inglês), um pósitron (em inglês) e um neutrino;
um próton e um átomo de deutério se combinam para formar um átomo de hélio-3 (em inglês - dois prótons com um nêutron) e um raio gama (em inglês);
dois átomos de hélio-3 se combinam para formar um átomo de hélio-4 (em inglês - dois prótons e dois nêutrons) e dois prótons.
A fusão só pode ocorrer em ambientes superaquecidos, na casa dos milhões de graus. As estrelas, que são feitas de plasma, são os únicos objetos naturais quentes o bastante para criar reações de fusão. O plasma, que costuma ser chamado de quarto estado da matéria, é gás ionizado composto de átomos sem alguns de seus elétrons. Essas reações de fusão são responsáveis por 85% da energia do sol. O alto nível de calor necessário para criar este tipo de plasma, faz com que seja impossível conter os componentes em qualquer material conhecido. No entanto, o plasma é um bom condutor de eletricidade, o que faz com que seja possível segurá-lo, orientá-lo e acelerá-lo usando campos magnéticos. E essa é a idéia básica usada na criação de uma espaçonave movida a fusão nuclear, que a NASA acredita ser possível de construir em 25 anos. Na próxima seção, veremos alguns projetos específicos de motores de fusão sendo desenvolvidos.
Voando com o poder da fusão
As reações de fusão liberam uma quantidade enorme de energia, o que explica porque os pesquisadores procuram maneiras de colocar essa energia em um sistema de propulsão. Uma espaçonave alimentada por reações de fusão, poderia adiantar o cronograma da NASA para uma missão tripulada até Marte. Este tipo de espaçonave poderia diminuir o tempo da viagem em mais de 50%, reduzindo assim a perigosa exposição dos tripulantes à radiaçã nuclear e à falta de gravidade. A construção de uma espaçonave movida a reações de fusão seria o equivalente ao desenvolvimento de um carro que rodasse duas vezes mais rápido do que qualquer outro e com uma eficiência de combustível de 2.976 km/l. No campo de estudo e desenvolvimento de foguetes, a eficiência de combustível de um foguete é medida por seu impulso específico, uma medida das unidades de propulsão divididas pelas unidades de propelente consumido durante um período de tempo.
Um veículo movido à fusão poderia ter um impulso específico cerca de 300 vezes maior do que o dos motores de foguetes químicos convencionais. Um motor de foguete químico tem um impulso específico de cerca de 450 segundos, o que significa que o motor consegue produzir 1 Kg de propulsão a partir de 1 Kg de combustível a cada 450 segundos. Já um foguete movido à fusão poderia ter um impulso específico estimado em 130 mil segundos e poderia usar hidrogênio como propelente, podendo se reabastecer durante sua viagem pelo espaço. Como o hidrogênio está presente na atmosfera de muitos planetas, bastaria que a espaçonave mergulhasse na atmosfera desses planetas e sugasse uma parte do hidrogênio para se reabastecer.
Além disso, os foguetes movidos à fusão também poderiam fornecer impulso mais longo do que os foguetes químicos, que queimam seu combustível muito rapidamente. Acredita-se que a propulsão por fusão permitirá viagens rápidas a qualquer ponto do nosso sistema solar, chegando ao ponto de permitir que sejam feitas viagens de ida e volta à Júpiter em apenas dois anos. Agora, veremos os projetos da NASA de propulsão por fusão.
Foguete de magnetoplasma de impulso específico variável
O VASIMR se trata de um foguete de plasma, precursor da propulsão por fusão. Mas como um foguete movido à fusão irá usar plasma, os pesquisadores terão a chance de aprender muito com este tipo de foguete. Para falar a verdade, o motor do VASIMR é bem interessante, já que cria plasma sob condições extremamente quentes e, depois, o expele para obter impulso. Há três células básicas no motor do VASIMR.
Célula frontal - o gás propelente, normalmente o hidrogênio, é injetado nesta célula e ionizado para criar plasma;
Célula central - esta célula age como amplificadora para esquentar o plasma ainda mais com energia eletromagnética. Também, são usadas ondas de rádio para adicionar energia ao plasma, de maneira semelhante ao modo como funciona um forno de microondas;
Célula posterior - um bocal magnético converte a energia do plasma na velocidade da descarga do motor a jato. O campo magnético usado para expelir o plasma também protege a aeronave ao impedir que o plasma toque o casco da nave. O plasma provavelmente destruiria qualquer material com que entrasse em contato, pois sua temperatura ao sair do bocal seria de até 100 milhões de graus Celsius (25 mil vezes mais quente do que os gases expelidos pelo ônibus espacial).
Em uma missão para Marte, o motor da VASIMR aceleraria de forma contínua para a primeira metade da viagem e reverteria sua direção, diminuindo a velocidade para a segunda metade. Um motor desses também poderia ser usado para posicionar satélites na órbita da Terra.
Propulsão por fusão de espelho dinâmico de gás
Sendo desenvolvido simultaneamente com a VASIMR, o sistema de propulsão por fusão de Espelho Dinâmico de Gás (GDM) tem uma bobina de fios mais longa, fina e condutora de corrente elétrica, que age como um imã e fica ao redor de uma câmara a vácuo, que contém plasma. O plasma é aprisionado dentro dos campos magnéticos criados na seção central do sistema. Em cada extremidade do motor, existem ímãs-espelho que impedem que o plasma escape por essas extremidades rápido demais, mas é claro que o que se quer é que o plasma saia para obter a propulsão desejada.
Normalmente, o plasma é instável e não pode ser confinado facilmente, o que dificultou bastante as primeiras experiências com máquinas de fusão com espelhos. O espelho dinâmico de gás é capaz de evitar problemas de instabilidade por ser construído em um formato longo e fino, o que deixa as linhas do campo magnético correrem diretamente pelo sistema. Outra forma de controlar a instabilidade é permitir que uma certa quantidade de plasma vaze pela parte estreita do espelho.
Em 1998, uma experiência com GDM na NASA conseguiu produzir plasma durante um teste do sistema injetor de plasma, que funciona de maneira semelhante à célula frontal da VASIMR. Ele injeta gás no GDM e o aquece com Aquecimento de Ressonância de Ciclotron Eletrônico (ECRH) induzido por uma antena de microondas, operando a 2,45 gigahertz. Atualmente, o experimento existe para confirmar a praticidade do conceito do GDM. Mas os pesquisadores também estão trabalhando em várias das características operacionais de um motor em tamanho real.
Embora muitos dos conceitos de propulsão avançada da NASA (em inglês) estejam a décadas de serem atingidos, o alicerce para a propulsão por fusão já está sendo construído. Quando outras tecnologias estiverem disponíveis, a fim de tornar a missão para Marte possível, quem sabe não será uma espaçonave alimentada por fusão que vai nos levar até lá. Até a metade do século 21, as viagens para Marte poderão ter se tornado tão rotineiras quanto as viagens para a Estação Espacial Internacional.
Para mais informações sobre propulsão por fusão e outros conceitos de propulsão avançada, confira os links na próxima página.
