A nave espacial de amanhã será construída usando materiais avançados com propriedades espantosas.
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Sept. 16, 2002: “O que eu realmente estou procurando”, você diz ao vendedor, “é um carro que percorre pelo menos 10.000 milhas entre enchimentos, se repara automaticamente, navega a 500 mph, e pesa apenas algumas centenas de libras”.”
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Como ele fica ali de olhos largos, você acrescenta, “Oh sim, e eu só posso gastar cerca de um quarto do que estes outros carros custam”
a construção de naves espaciais dramaticamente melhoradas.
Um pedido como este é certo para fazer rir do lote de carros novos. Mas de muitas maneiras, este carro dos sonhos é uma metáfora para os veículos espaciais que precisaremos para expandir nossa exploração do sistema solar nas décadas vindouras. Estas novas naves espaciais terão de ser mais rápidas, mais leves, mais baratas, mais fiáveis, mais duráveis e mais versáteis, tudo ao mesmo tempo.
Impossível? Antes de responder, considere como um fazendeiro de 200 anos atrás poderia ter reagido se um homem tivesse pedido para comprar um cavalo que pudesse correr 100 mph por horas a fio, carregar toda a sua família e toda a sua bagagem, e cantar as suas canções favoritas para ele o tempo todo! Hoje chamamos-lhes minivans.
Revoluções na tecnologia — como a Revolução Industrial que substituiu os cavalos por carros — podem tornar o que parece impossível hoje comum amanhã.
Tal revolução está a acontecer neste momento. Três das ciências de crescimento mais rápido dos nossos dias – a biotecnologia, a nanotecnologia e a tecnologia da informação – estão convergindo para dar aos cientistas um controle sem precedentes da matéria na escala molecular. Emergindo dessa corrida intelectual ao ouro, surge uma nova classe de materiais com propriedades surpreendentes que soam mais em casa em um romance de ficção científica do que na bancada de laboratório.
Imagine, por exemplo, uma substância com 100 vezes a resistência do aço, mas com apenas 1/6 do peso; materiais que instantaneamente se curam quando perfurados; superfícies que podem “sentir” as forças que os pressionam; fios e eletrônicos tão pequenos quanto as moléculas; materiais estruturais que também geram e armazenam eletricidade; e líquidos que podem mudar instantaneamente para sólidos e voltar de novo à vontade. Todos estes materiais existem hoje … e mais estão a caminho.
Com tais materiais espantosos à mão, a construção da melhor nave espacial começa a parecer não tão rebuscada afinal.
Peso igual a dinheiro
O desafio da próxima geração de naves espaciais depende de algumas questões primárias. Primeiro e acima de tudo, é claro, o custo.
“Mesmo que todos os obstáculos técnicos tenham sido resolvidos hoje, explorar nosso sistema solar ainda precisa ser acessível para ser prático”, diz o Dr. Neville Marzwell, gerente de Tecnologia Aeroespacial Revolucionária da Equipe de Planejamento da Próxima Década da NASA.
Diminuir o custo do vôo espacial significa principalmente reduzir o peso. Cada libra aparada é uma libra que não precisará de propulsão para escapar da gravidade da Terra. Naves espaciais mais leves podem ter motores menores e mais eficientes e menos combustível. Isto, por sua vez, poupa mais peso, criando assim uma espiral benéfica de redução de peso e de custos.
Direito: Este foguete lunar Saturn V totalmente carregado pesava 6,2 milhões de libras. Era pesado e caro de lançar.
O desafio é aparar o peso enquanto aumenta a segurança, confiabilidade e funcionalidade. Só deixar peças de fora não serve.
Os cientistas estão explorando uma gama de novas tecnologias que poderiam ajudar as naves espaciais a emagrecer. Por exemplo, materiais de gossamer – que são filmes ultrafinos – podem ser usados para antenas ou painéis fotovoltaicos no lugar dos componentes mais volumosos usados hoje em dia, ou mesmo para vastas velas solares que fornecem propulsão enquanto massajam apenas 4 a 6 gramas por metro quadrado.
Materiais compostos, como os usados em raquetes de tênis de fibra de carbono e tacos de golfe, já fizeram muito para ajudar a diminuir o peso em projetos aeroespaciais sem comprometer a resistência. Mas uma nova forma de carbono chamada “nanotubo de carbono” contém a promessa de uma melhoria dramática em relação aos compósitos: Os melhores compósitos têm 3 ou 4 vezes a resistência do aço por peso – para nanotubos, são 600 vezes!
“Esta força fenomenal vem da estrutura molecular dos nanotubos”, explica Dennis Bushnell, cientista chefe do Langley Research Center (LaRC), Centro de Excelência de Estruturas e Materiais da NASA. Eles se parecem um pouco com arame de galinha enrolado em um cilindro com átomos de carbono sentados em cada um dos cantos dos hexágonos.
Tipicamente os nanotubos têm cerca de 1,2 a 1,4 nanômetros de diâmetro (um nanômetro é um bilionésimo de um metro), que é apenas cerca de 10 vezes o raio dos próprios átomos de carbono.
Acima: A malha de átomos de carbono em um nanotubo de carbono é como uma placa de fixação para pendurar outros tipos de átomos e moléculas para dar ao nanotubo propriedades químicas, elétricas ou térmicas especiais. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Departamento de Física da Universidade Estadual da Pensilvânia.
Nanotubos só foram descobertos em 1991, mas já o intenso interesse na comunidade científica fez avançar tremendamente a nossa capacidade de criar e usar nanotubos. Apenas há 2 a 3 anos, os nanotubos mais longos que tinham sido feitos tinham cerca de 1000 nanotubos (1 mícron). Hoje, os cientistas são capazes de produzir tubos com 200 milhões de nanotubos (20 cm) de comprimento. Bushnell observa que existem pelo menos 56 laboratórios em todo o mundo trabalhando para produzir em massa esses minúsculos tubos.
“Grandes avanços estão sendo feitos, portanto, a fabricação de materiais a granel usando nanotubos provavelmente vai acontecer”, diz Bushnell. “O que não sabemos é quanto disso 600 vezes a resistência do aço por peso será manifestada em um material a granel”. Ainda assim, os nanotubos são a nossa melhor aposta”
Direito: A resistência à tração dos nanotubos de carbono excede em muito a de outros materiais de alta resistência. Note-se que cada incremento no eixo vertical é uma potência de 10.
Além de serem apenas fortes, os nanotubos provavelmente serão importantes para outra parte do plano de perda de peso da espaçonave: materiais que podem servir a mais de uma função.
“Nós costumávamos construir estruturas que eram apenas suportes burros e sem peso para peças ativas, tais como sensores, processadores e instrumentos”, explica Marzwell. “Agora não precisamos disso. O suporte pode ser uma parte integrante e ativa do sistema”
Imagine que o corpo de uma nave espacial também poderia armazenar energia, removendo a necessidade de baterias pesadas”. Ou que as superfícies poderiam se dobrar, eliminando os atuadores separados. Ou que os circuitos poderiam ser embutidos diretamente no corpo da espaçonave. Quando materiais podem ser projetados na escala molecular tais estruturas holísticas se tornam possíveis.
Peles da espaçonave
Humans podem sentir até mesmo a mais leve picada de alfinete em qualquer lugar em seus corpos. É um incrível auto-monitoramento – possível porque sua pele contém milhões de terminações nervosas microscópicas, bem como nervos para levar esses sinais ao seu cérebro.
Likewise, materiais que compõem sistemas críticos em uma nave espacial podem ser embutidos com sensores em escala nanométrica que monitoram constantemente a condição dos materiais. Se alguma parte está começando a falhar — isto é, “se sente mal” — esses sensores poderiam alertar o computador central antes de uma tragédia.
Fios moleculares poderiam levar os sinais de todos esses sensores dentro do tecido para o computador central, evitando o volume impraticável de milhões e milhões de fios de hoje. Mais uma vez, os nanotubos podem ser capazes de desempenhar este papel. Convenientemente, os nanotubos podem agir como condutores ou semi-condutores, dependendo de como são feitos. Os cientistas fizeram fios moleculares de outras moléculas alongadas, algumas das quais até se auto-montagem natural em configurações úteis.
Esquerda: Este material piezoelétrico, desenvolvido no Langley Research Center (LaRC) da NASA, pode “sentir” deformações como flexão ou pressão superficial, produzindo uma pequena voltagem em resposta que pode atuar como um sinal para um computador central. Imagem cortesia do Projeto Morphing da NASA em LaRC.
A sua pele também é capaz de se curar. Acredite ou não, alguns materiais avançados podem fazer a mesma coisa. Materiais auto-curativos feitos de moléculas de cadeia longa chamadas ionomeros reagem a um objeto penetrante, como uma bala, fechando-se atrás dela. Naves espaciais poderiam usar tais peles porque o espaço está cheio de pequenos projéteis – pedaços de destroços de cometas e asteróides que se movem rapidamente. Se um desses objetos do tamanho de areia a seixos perfurar a armadura da nave, uma camada de material auto-curativo manteria a cabine hermética.
Meteoroids não são o único perigo; o espaço também está cheio de radiação. Naves espaciais em órbita terrestre baixa são substancialmente protegidas pelo campo magnético do nosso planeta, que forma uma bolha segura com cerca de 50.000 km de largura, centrada na Terra. Além dessa distância, porém, as erupções solares e raios cósmicos representam uma ameaça para os viajantes espaciais.
Direita: Uma erupção solar irradia radiação energética para o espaço.
Os cientistas ainda estão à procura de uma boa solução. O truque é fornecer uma blindagem adequada sem adicionar muito peso extra à nave espacial. Alguns materiais leves de proteção contra radiação estão sendo testados em um experimento chamado (MISSE) a bordo da Estação Espacial Internacional. Mas estes por si só não serão suficientes.
O verdadeiro vilão é a Radiação Cósmica Galáctica (GCR) produzida em explosões de supernovas distantes. Consiste, em parte, em iões positivos muito pesados – como núcleos de ferro – que se movimentam a grande velocidade. A combinação de alta massa e alta velocidade torna estas pequenas “bolas de canhão” atômicas muito destrutivas. Quando elas atravessam as células do corpo das pessoas, podem quebrar o DNA, levando a doenças e até mesmo câncer.
“Acontece que os piores materiais que você pode usar para proteção contra GCR são os metais”, observa Bushnell. Quando um raio cômico galáctico atinge um átomo metálico, ele pode quebrar o núcleo do átomo — um processo semelhante à fissão que ocorre em usinas de energia nuclear. A radiação secundária produzida por essas colisões pode ser pior do que o GCR que o metal deveria proteger.
Ironicamente, elementos leves como hidrogênio e hélio são a melhor defesa contra esses brutos GCR, pois colisões com eles produzem pouca radiação secundária. Algumas pessoas têm sugerido cercar os alojamentos da nave com um tanque de hidrogênio líquido. De acordo com Bushnell, uma camada de hidrogênio líquido de 50 a 100 cm de espessura proporcionaria uma blindagem adequada. Mas é provável que o tanque e o sistema criogênico sejam pesados e incômodos.
Aqui novamente, os nanotubos podem ser úteis. Uma malha de nanotubos de carbono pode armazenar hidrogénio a altas densidades, e sem a necessidade de frio extremo. Então, se a nossa nave do futuro já usa nanotubos como material estrutural ultra-leve, esses tubos também poderiam ser carregados com hidrogênio para servir de proteção contra radiação? Os cientistas estão estudando a possibilidade.
Esquerda: Quando raios cósmicos de alta energia colidem com o DNA dos astronautas, podem causar danos que levam a cancros ou outras doenças induzidas pela radiação. Imagens cortesia do Escritório de Pesquisa Biológica e Física da NASA.
Ir um passo adiante, camadas deste material estrutural poderiam ser atadas com átomos de outros elementos que são bons para filtrar outras formas de radiação: boro e lítio para lidar com os nêutrons, e alumínio para absorver os elétrons, por exemplo.
Camping Out in the Cosmos
A superfície da Terra está na maioria das vezes a salvo da radiação cósmica, mas outros planetas não têm tanta sorte. Marte, por exemplo, não tem um forte campo magnético global para desviar partículas de radiação, e a sua manta atmosférica é 140 vezes mais fina do que a da Terra. Estas duas diferenças fazem com que a dose de radiação na superfície marciana seja cerca de um terço tão intensa como no espaço aberto desprotegido. Os futuros exploradores de Marte precisarão de protecção contra a radiação.
“Não podemos levar a maior parte dos materiais connosco para um abrigo a longo prazo, devido à consideração do peso. Portanto, uma coisa em que estamos trabalhando é como fazer materiais de proteção contra radiação dos elementos que lá encontramos”, diz Sheila Thibeault, uma cientista da LaRC especializada em proteção contra radiação.
Direito: Os astronautas que montam acampamento em Marte vão precisar de protecção contra a radiação espacial. Crédito da imagem:Frassanito and Associates, Inc.
Uma solução possível é “tijolos de Marte”. Thibeault explica: “Os astronautas poderiam produzir tijolos resistentes à radiação de materiais disponíveis localmente em Marte, e usá-los para construir abrigos.” Eles poderiam, por exemplo, combinar o “regolito” tipo areia que cobre a superfície marciana com um polímero feito no local a partir de dióxido de carbono e água, ambos abundantes no planeta vermelho. Zapping esta mistura com microondas cria tijolos com aspecto de plástico que dobram como uma boa proteção contra radiação.
“Usando microondas, podemos fazer estes tijolos rapidamente usando muito pouca energia ou equipamento”, explica ela. “E o polímero que usaríamos adiciona às propriedades de proteção contra radiação do regolito”
Os abrigos de guerra precisariam da confiabilidade dos materiais auto-sensíveis, da durabilidade dos materiais auto-regeneráveis e da economia de peso dos materiais multifuncionais”. Em outras palavras, uma casa em Marte e uma boa espaçonave precisam de muitas das mesmas coisas. Tudo isso está sendo considerado pelos pesquisadores, Thibeault diz.
The Folks Back Home
Mind-boggling advanced materials will come in handdy on Earth, too.
“A pesquisa da NASA é certamente focada em veículos aeroespaciais”, observa Anna McGowan, gerente do Morphing Project da NASA (um esforço de pesquisa de materiais avançados no Langley Research Center). “Contudo, a ciência básica poderia ser usada em muitas outras áreas”. Poderia haver milhões de spin-offs”
Esquerda: Fabricados com materiais inteligentes, os aviões de amanhã poderiam ter asas auto-flexíveis que operam sem abas – reduzindo assim o arrasto e diminuindo os custos de combustível”.
Mas ainda não. A maioria dos materiais avançados carece do refinamento de engenharia necessário para um produto polido e robusto. Eles não estão prontos para o horário nobre. Mesmo assim, digamos investigadores, é apenas uma questão de tempo: Eventualmente aquele vendedor de carros vai parar de rir… e começar a vender a sua máquina dos sonhos da era espacial.
Web Links
Buck Rogers, Cuidado! — Artigo de Science@NASA: Pesquisadores da NASA estão estudando insetos e pássaros, e usando materiais “inteligentes”, com propriedades assombrosas, para desenvolver novos e surpreendentes designs de aeronaves.
Amostras do Futuro — artigo Science@NASA: As naves espaciais avançadas do futuro serão fabricadas a partir de materiais distantes com extraordinária resistência ao ambiente agressivo do espaço. A Experiência da Estação Espacial Internacional de Materiais (MISSE) tem como objetivo descobrir quais materiais funcionam melhor.
Direita: Caído de costas pelo Sol nascente, o MISSE entra no espaço fora da Estação Espacial Internacional.
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Atravessá-lo e abrigar-se — Artigo Science@NASA: A sujidade lunar e marciana pode fornecer protecção contra a radiação para as tripulações em futuras missões. Veja também “Making Mars Bricks”
Centro de Nanotecnologia (CNT) — no Centro de Pesquisa Ames da NASA.
Needs of future missions — lista de tecnologias necessárias para futuras explorações espaciais e algumas soluções possíveis, do CNT.
Nanotube Links: Nanotubos & Buckyballs (Nanotechnology Now); nanotubos de carbono (Penn State University); Projeto Nanotubos do Centro Espacial Johnson (NASA).
Pesquisa em eletrônica molecular: um transistor em escala nanométrica da IBM; uma porta lógica simples feita de nanofios; um nanotubo personalizável para fios ou estruturas da Universidade Purdue.
Meteorologia Espacial em Marte — artigo Science@NASA: Os futuros exploradores humanos de Marte podem deixar seus guarda-chuvas de volta à Terra, mas talvez eles não devam esquecer seus contadores Geiger! Uma experiência da NASA a caminho do Planeta Vermelho visa descobrir.
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