Retorno da Artemis II à Terra: como a cápsula Orion enfrenta a reentrada

Após concluir com sucesso a missão à Lua, a tripulação da Artemis II está prestes a voltar para a Terra.

Os quatro astronautas estabeleceram um novo recorde de distância alcançada por humanos a partir do nosso planeta, chegando a um afastamento máximo de 406.771 quilómetros da Terra.

A etapa final da viagem será marcada por uma reentrada veloz, hipersónica e extremamente quente na atmosfera terrestre, antes de a nave amerissar no Oceano Pacífico, ao largo da costa da Califórnia, por volta das 20h do dia 10 de abril (horário local).

Essa reentrada será o último grande obstáculo de uma missão épica de dez dias. É uma fase carregada de riscos - mas a nave conta com um conjunto de tecnologias concebidas para manter a tripulação em segurança.

Uma reentrada rápida

A cápsula Orion que transporta os astronautas da Artemis II estará a mais de 11 km/s (40.000 km/h) quando tocar a atmosfera da Terra. Isso é 40 vezes mais rápido do que a velocidade de um avião de passageiros.

Pode ver uma transmissão ao vivo do regresso da tripulação aqui:

Se, em vez disso, olharmos para a energia cinética - a energia que um objeto 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 regressa ao planeta, ela precisará desacelerar e reduzir essa energia cinética para quase zero, de modo que os paraquedas possam ser acionados e o pouso aconteça em segurança.

Para perder energia, as naves fazem uma reentrada controlada nas camadas superiores da atmosfera, usando o arrasto aerodinâmico como “travão” para diminuir a velocidade.

Ao contrário de um avião - normalmente projetado para ser aerodinâmico e reduzir o arrasto, poupando combustível -, uma nave em reentrada segue a lógica inversa. Ela é desenhada para ser o menos aerodinâmica possível, justamente para aumentar o arrasto e ajudá-la a desacelerar.

Essa desaceleração pode ser bastante severa.

É comum falar de aceleração e desaceleração em forças g - ou "g's", na forma abreviada. 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 experimentar mais de 5 "g's" em curvas, valor que se aproxima do limite máximo que o corpo humano suporta sem desmaiar.

Cápsulas pequenas e não tripuladas, como a da NASA OSIRIS-REx - que trouxe amostras do asteroide Bennu -, simplesmente entram na atmosfera e desaceleram de forma abrupta. Essas entradas acontecem muito depressa, em menos de um minuto. Só que, nesse cenário, as forças g podem ultrapassar 100 - aceitável para veículos robóticos, mas não para pessoas.

Já veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, recorrem a forças de sustentação para “esticar” a entrada no tempo. Isso reduz as forças g a níveis mais administráveis, compatíveis com a sobrevivência humana, e faz a reentrada durar vários minutos.

Uma reentrada muito quente

A cápsula Orion vai cruzar 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 de duas vezes a temperatura da superfície do Sol.

Esse calor extremo transforma o ar que atravessa a onda de choque num plasma eletricamente carregado. O resultado é um bloqueio temporário de sinais de rádio, o que impedirá a comunicação dos astronautas durante as partes mais duras da descida.

Como garantir uma reentrada segura

Para sobreviver ao ambiente extremamente hostil da reentrada, as naves dependem de um desenho muito cuidadoso das trajetórias, com o objetivo de reduzir ao máximo o aquecimento.

Além disso, a cápsula leva um sistema de proteção térmica - na prática, uma espécie de manta isolante que protege a nave e a sua tripulação (ou carga) do escoamento hipersónico severo do lado de fora.

Esse sistema é ajustado com precisão para cada veículo e para a missão específica. Materiais que toleram mais calor são aplicados nas áreas onde se espera o ambiente mais agressivo, e as espessuras também são calibradas de forma rigorosa.

Durante a entrada, esses materiais foram concebidos para incandescer, ficar em brasa e se degradar - ainda assim, sem falhar. O brilho avermelhado também ajuda a irradiar calor de volta para a atmosfera, em vez de permitir que ele seja absorvido pela nave.

É graças a esse projeto meticuloso que a Artemis consegue atravessar ar a 10.000°C, mantendo a temperatura máxima na superfície do escudo térmico em apenas cerca de 3.000°C.

A maioria das naves é protegida por materiais chamados ablativos. Em geral, eles são feitos de fibra de carbono e de um tipo de cola conhecida como resina fenólica.

Esses escudos ablativos absorvem energia e libertam um gás relativamente frio para o escoamento junto à superfície do veículo, ajudando a arrefecer o conjunto.

O material ablativo usado no escudo térmico da cápsula Orion chama-se AVCOAT. Ele é uma versão do mesmo material que protegeu a cápsula Apollo no regresso da Lua no fim dos anos 1960 e no início dos anos 1970.

Embora a missão Artemis I - um voo de teste sem tripulação - tenha sido um grande sucesso, a ablação do escudo térmico na reentrada foi muito maior do que o esperado. Em alguns pontos, grandes pedaços de material se desprenderam.

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

A avaliação é que, na Artemis I, a perda de partes do escudo ocorreu por causa de um aumento de pressão dentro do material durante a fase de "skip" da entrada, quando a nave saiu momentaneamente da atmosfera para arrefecer e, em seguida, realizou uma segunda entrada antes de pousar.

Para a Artemis II, a decisão foi 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 muita gente, vou ficar aliviado quando os vir de volta, recebidos com segurança em casa, na Terra.

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

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

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