Regresso da tripulação da Artemis II: a reentrada da cápsula Orion até à Terra

Concluída com sucesso a missão até à Lua, a tripulação da Artemis II prepara-se agora para regressar à Terra.

Os quatro astronautas estabeleceram um novo recorde de distância máxima alguma vez alcançada por seres humanos a partir do nosso planeta, atingindo 406,771 quilómetros de afastamento.

O regresso terminará 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 desta missão épica de dez dias. É uma fase repleta de riscos - mas a nave foi equipada com um conjunto de tecnologias concebidas para manter a tripulação em segurança.

Uma reentrada rápida da Artemis II

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 as camadas superiores da atmosfera. Trata-se de uma velocidade 40 vezes superior à de um avião comercial.

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

Se, em alternativa, olharmos para a energia cinética - a energia que um corpo tem por estar em movimento - a cápsula Orion, no momento da reentrada, terá quase 2,000 vezes mais energia cinética por quilograma de veículo do que um avião comercial.

Como qualquer nave que volta a casa, terá de abrandar e reduzir essa energia cinética para praticamente zero, para que seja possível abrir os paraquedas e concluir a aterragem em segurança.

Para diminuir a energia cinética, as naves executam uma reentrada controlada nas camadas altas da atmosfera, usando o arrasto aerodinâmico do ar como “travão” para desacelerar.

Ao contrário de um avião - normalmente concebido para ser aerodinâmico e reduzir o arrasto, poupando combustível - uma nave em reentrada faz precisamente o oposto. É propositadamente desenhada para ser o menos aerodinâmica possível, maximizando o arrasto e ajudando a perder velocidade.

Este processo de desaceleração pode ser particularmente duro.

A desaceleração e a aceleração são, regra geral, descritas em forças g (ou “g”, abreviadamente). Trata-se da força de aceleração ou desaceleração dividida pela aceleração padrão que sentimos devido à gravidade da Terra. Um piloto de Fórmula 1 pode suportar mais de 5 g em curva, muito perto do máximo que um ser humano aguenta sem desmaiar.

Pequenas cápsulas de reentrada não tripuladas, como a cápsula da OSIRIS-REx da NASA que trouxe amostras do asteroide Bennu, entram “a direito” na atmosfera e desaceleram de forma abrupta. Estas reentradas são muito rápidas - duram menos de um minuto. Nesse cenário, porém, as forças g podem ultrapassar 100: aceitável para veículos robóticos, mas não para pessoas.

Veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, recorrem a forças de sustentação para prolongar a entrada e desacelerar ao longo do tempo. Assim, as forças g descem para níveis mais toleráveis para o corpo humano e a reentrada passa a durar 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 envolverá a nave, elevando a temperatura do ar para 10,000°C ou mais - cerca do dobro da temperatura da superfície do Sol.

O calor extremo transforma o ar que atravessa a onda de choque num plasma eletricamente carregado. Esse fenómeno bloqueia temporariamente os sinais de rádio, pelo que os astronautas ficarão sem comunicações durante as fases mais severas da descida.

Garantir uma reentrada segura

As naves sobrevivem ao ambiente extremamente agressivo da reentrada através de uma definição muito cuidadosa da trajetória, procurando reduzir ao máximo o aquecimento.

Além disso, a cápsula leva um sistema de proteção térmica. Na prática, funciona como uma manta isolante que resguarda a nave e a sua tripulação (ou carga) do escoamento hipersónico no exterior.

O sistema de proteção térmica é concebido à medida de cada veículo e da respetiva missão. Os materiais com maior resistência ao calor são colocados nas superfícies onde se prevê um ambiente mais exigente, e as espessuras também são ajustadas com grande precisão.

Durante a entrada, estes materiais foram pensados para incandescer e degradar-se - mas sem falhar. Esse brilho avermelhado também ajuda, porque irradia calor de volta para a atmosfera, em vez de o deixar ser absorvido pela nave.

É esta engenharia de detalhe que permite à Artemis atravessar ar a 10,000°C mantendo, ainda assim, uma temperatura máxima à superfície do escudo térmico de apenas cerca de 3,000°C.

A maioria das naves é protegida por materiais conhecidos como ablativos, geralmente produzidos com fibra de carbono e um tipo de cola designado resina fenólica.

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

O material ablativo usado no escudo térmico da cápsula Orion chama-se AVCOAT. É uma variante do material que protegeu a cápsula Apollo no regresso da Lua no final da década de 1960 e no início da década de 1970.

Apesar de a missão Artemis I - um voo de teste sem tripulação - ter sido um grande êxito, a ablação do escudo térmico durante a reentrada foi bastante superior ao previsto. Em alguns pontos, separaram-se grandes pedaços de material do escudo.

Após inspeções e análises demoradas, os engenheiros decidiram, ainda assim, avançar com o mesmo tipo de escudo térmico na missão Artemis II.

Na avaliação da equipa, na Artemis I a perda de fragmentos do escudo ocorreu devido à acumulação de pressão no interior do material durante a fase de ressalto da entrada, quando a nave saiu momentaneamente da atmosfera para arrefecer antes de executar uma segunda entrada e amarar.

Para a Artemis II, a opção foi ajustar ligeiramente a trajetória: continuar a usar sustentação, mas com um ressalto menos marcado.

É impressionante ver o que a NASA e os astronautas já conseguiram nesta missão. Ainda assim, como tantas outras pessoas, ficarei aliviado quando os vir de volta e em segurança na Terra.

Chris James, Professor Sénior, Centro de Hipersónica, Escola de Engenharia Mecânica e de Minas, Universidade de Queensland

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