Laser impulsiona aerogel de grafeno em microgravidade

Pesquisadores relatam que um laser consegue impulsionar para a frente minúsculos blocos de espuma de grafeno em condições de ausência de peso - com uma força que quase some quando se volta à gravidade da Terra.

Esse resultado tira o efeito do campo da curiosidade de laboratório e o coloca como uma alternativa plausível para deslocar e orientar espaçonaves sem precisar transportar propelente.

Dentro da câmara

Em um tubo a vácuo, durante curtos intervalos de ausência de peso, pequenos cubos de aerogel de grafeno deram um solavanco e avançaram assim que a luz do laser os atingiu.

Ao acompanhar esse deslocamento, pesquisadores da Khalifa University registaram que a resposta mais intensa do material apareceu apenas quando a gravidade deixou de mantê-lo “preso” ao apoio.

Já sob gravidade normal, os mesmos cubos exibiram apenas uma versão atenuada do movimento, o que faz o resultado em voo ser bem mais do que uma simples cena curiosa.

Essa diferença marcada ajuda a deixar o fenómeno nítido, mas também mantém em aberto uma questão maior: afinal, o que permite que a luz empurre com tanta mais força quando há quase ausência de peso?

Por que a gravidade fez diferença

Em cada arco parabólico, a aeronave gerou cerca de 20 segundos de microgravidade, um estado de quase ausência de peso obtido durante a queda livre.

A gravidade não desapareceu; porém, como avião e carga caíam juntos, as amostras deixaram de sofrer a carga que as mantinha pressionadas contra a base.

Nesse intervalo, uma amostra percorreu quase 5 centímetros (cerca de 2 polegadas) em 0,05 segundo e atingiu aproximadamente 1,7 metro por segundo (cerca de 5,6 pés por segundo).

Em solo, o mesmo material conseguiu apenas cerca de 1,5 centímetro (aproximadamente 0,6 polegada) e 0,06 metro por segundo (cerca de 0,2 pé por segundo), indicando que a gravidade reduziu o empurrão.

Ajustando o empurrão

A potência do laser alterou o resultado, reforçando que o deslocamento não era fruto de vibrações aleatórias dentro do avião.

Com luz mais intensa, surgiram saltos maiores de velocidade e de distância, e o pico do impulso apareceu nos primeiros 30 milissegundos.

Esse tipo de controlo interessa no espaço, porque um sistema de propulsão que responde à intensidade luminosa pode ser comandado com precisão.

Escolhendo o melhor desenho

Nem todo aerogel de grafeno - uma espuma sólida formada por folhas de grafeno - converteu luz em movimento do mesmo modo.

A versão mais leve ficou para trás, a mais densa foi a que chegou mais longe, e o desenho intermédio foi o que entregou o pico de impulso mais pronunciado.

É provável que essa amostra intermédia tenha equilibrado melhor o tamanho dos poros e o fluxo de calor, permitindo que o gás aquecido empurrasse com eficiência através do material.

O desempenho dependeu da arquitectura, e não apenas de tornar o material o mais leve possível - um alerta útil para engenheiros.

Calor que vira força

A explicação principal começa com o aquecimento desigual: o laser aquece a face frontal mais depressa do que a traseira.

Com isso, moléculas de gás mais quentes atingem um lado com mais intensidade, gerando uma força fotoforética - um empurrão provocado por diferenças de temperatura em gás rarefeito.

Em paralelo, o calor que se propaga pelos poros impulsiona o gás através da rede interna, e os dois efeitos somam-se.

Esse quadro combina com uma pista importante observada no voo: o empurrão subiu de imediato e perdeu força assim que as amostras bateram na parede do tubo.

Do laboratório ao teste em voo

A ideia de a luz empurrar grafeno não começou neste voo: equipas anteriores já tinham feito grafeno em massa mover-se sob iluminação.

Um artigo de 2015 descreveu propulsão directa por luz em grafeno em massa, mostrando que o efeito era real muito antes deste teste aéreo.

Essas amostras iniciais confirmaram o conceito, mas não evidenciaram o quanto a gravidade, por si só, suprimia o movimento.

O novo ensaio em voo preenche essa lacuna, transformando um efeito de laboratório em algo que engenheiros conseguem quantificar com vistas a missões reais.

Grafeno em velas espaciais

Outro estudo, de 2020, impulsionou velas de grafeno sobre uma grelha em microgravidade, apontando para velas ultraleves movidas por luz em voos espaciais.

Essas membranas destacaram a pressão directa da luz, enquanto os novos aerogéis parecem ganhar ajuda adicional do gás aquecido.

A distinção importa porque uma vela em órbita precisa de impulso eficiente, ao passo que testes em laboratório também precisam de forças suficientemente grandes para serem medidas.

Assim, o grafeno passa a ocupar duas frentes: candidato a velas futuras e material capaz de revelar como a luz se transforma em movimento.

Movimento espacial sem combustível

Espaçonaves pagam caro por cada grama de propelente; por isso, qualquer empurrão utilizável vindo apenas da luz chama imediatamente a atenção de engenheiros.

“Estamos abrindo o caminho para um futuro de propulsão sem propelente”, disse Ugo Lafont, engenheiro de física e química de materiais da Agência Espacial Europeia.

Velas solares poderiam refinar o apontamento, e pequenos satélites poderiam ajustar a atitude - a direção para a qual uma espaçonave se orienta no espaço - sem gastar combustível.

Se futuros sistemas repetirem estes resultados fora do laboratório, o prémio seria mais espaço para instrumentos e missões mais longas.

O que ainda é desconhecido

Ainda não existe um motor pronto para voo baseado nisso, e o experimento durou apenas frações de segundo.

Os cubos moveram-se dentro de tubos de vidro numa câmara com pressão reduzida, e os impactos nas paredes interromperam as melhores sequências de dados.

Os pesquisadores ainda precisam de testes mais longos, vácuo mais profundo e movimento mais livre antes de se saber como o material se comporta no espaço.

Mesmo assim, o resultado reduz incertezas, ao indicar onde a física parece mais forte e em que pontos a engenharia precisa avançar.

Futuro da propulsão por luz

Aqui, luz, desenho do material e microgravidade combinaram-se para transformar uma espuma de carbono numa fonte rápida e controlável de movimento.

Se experiências de seguimento conseguirem converter esse impulso em manobras confiáveis, futuras espaçonaves poderão levar menos combustível e, ainda assim, mover-se com precisão.