Laser impulsiona aerogel de grafeno em microgravidade e sugere propulsão sem propelente

Pesquisadores relatam que um laser consegue impulsionar pequenos blocos de espuma de grafeno para a frente em condições de ausência de peso, com uma força que quase some sob a gravidade terrestre.

Esse resultado deixa de ser apenas uma curiosidade de laboratório e passa a soar como um caminho viável para deslocar e orientar naves espaciais sem precisar carregar propelente.

Dentro da câmara

Em um tubo a vácuo, durante curtos intervalos de ausência de peso, minúsculos cubos de aerogel de grafeno deram um tranco para a frente assim que a luz do laser incidiu sobre eles.

Ao acompanhar esse deslocamento, a equipa da Khalifa University registou que a resposta mais intensa do material só aparece quando a gravidade deixa de o manter “preso” ao suporte.

Já em gravidade normal, os mesmos cubos exibiram apenas uma versão enfraquecida desse avanço, o que torna o observado em voo muito mais do que um efeito visual.

Essa diferença marcada confirma o fenómeno, mas também mantém em aberto a questão principal: o que, exatamente, permite que a luz empurre com muito mais força quando a gravidade quase não se faz sentir.

Por que a gravidade fez diferença

Em cada arco parabólico, a aeronave gerou cerca de 20 seconds de microgravidade, um estado quase sem peso produzido durante a queda livre.

A gravidade não desapareceu; porém, como avião e carga útil caíram juntos, as amostras deixaram de sofrer a carga que as fixava no lugar.

Dentro dessa janela, uma amostra percorreu quase two inches (5 centimeters) em 0.05 second e atingiu cerca de 5.6 feet per second (1.7 meters per second).

No solo, o mesmo material chegou apenas a aproximadamente 0.6 inch (1.5 centimeters) e 0.2 feet per second (0.06 meters per second), evidenciando que a gravidade reduz o “empurrão”.

Ajustando a intensidade do empurrão

A potência do laser alterou o resultado, indicando que o movimento não era uma vibração aleatória dentro do avião.

Com luz mais intensa, os saltos de velocidade e distância aumentaram, e o pico de impulso apareceu nos primeiros 30 milliseconds.

Em ambiente espacial, esse grau de controlo é valioso, porque um sistema de propulsão que responde à intensidade luminosa pode ser comandado com elevada precisão.

Escolhendo o melhor desenho do material

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

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

É provável que essa amostra intermédia tenha atingido o melhor equilíbrio entre tamanho dos poros e condução de calor, permitindo que o gás aquecido atravessasse a estrutura com eficiência e empurrasse o bloco.

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

Calor a transformar-se em força

A explicação mais aceite começa pelo aquecimento desigual: o laser eleva a temperatura da face frontal mais depressa do que a traseira.

Moléculas de gás mais quentes atingem um lado com maior intensidade, produzindo uma força fotoforética - um empurrão gerado por diferenças de temperatura em gás rarefeito.

Em paralelo, o calor que se propaga pelos poros impulsiona o fluxo de gás através da rede interna, somando efeitos.

Esse quadro combina com uma pista importante observada no voo: o empurrão cresceu de imediato e diminuiu quando as amostras tocaram a parede do tubo.

Do laboratório ao teste em voo

A ideia de a luz deslocar grafeno não surgiu neste voo; equipas anteriores já tinham conseguido mover grafeno a granel sob iluminação.

Um artigo de 2015 descreveu propulsão direta por luz em grafeno a granel, indicando que o efeito era real bem antes deste ensaio aéreo.

Essas amostras anteriores demonstraram o conceito, mas não revelaram o quanto a própria gravidade suprime o movimento.

O novo teste em voo preenche essa lacuna, convertendo um efeito de laboratório em algo que engenheiros conseguem quantificar pensando em missões reais.

Grafeno em velas espaciais

Outro estudo, de 2020, impulsionou velas de grafeno em grade em microgravidade, sugerindo velas de luz ultraleves para voo espacial.

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

A distinção importa: uma vela em órbita precisa de impulso eficiente, e ensaios de laboratório também exigem forças suficientemente grandes para serem medidas.

Assim, o grafeno passa a ocupar dois papéis: candidato a velas futuras e material capaz de mostrar como a luz se transforma em movimento.

Movimento espacial sem combustível

Cada ounce de propelente custa caro a uma nave, por isso qualquer impulso utilizável obtido apenas com 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 na Agência Espacial Europeia.

Velas solares poderiam refinar o apontamento, e pequenos satélites poderiam ajustar a atitude - a direção para onde uma nave aponta no espaço - sem gastar combustível.

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

O que ainda não se sabe

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

Os cubos deslocaram-se dentro de tubos de vidro numa câmara com pressão reduzida, e os impactos nas paredes interromperam as medições mais “limpas”.

A equipa ainda precisa de ensaios 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 as incógnitas, ao mostrar 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 ausência de peso combinaram-se para transformar uma espuma de carbono numa fonte rápida e controlável de movimento.

Se testes de continuidade conseguirem converter esse impulso num manobrável confiável, futuras naves poderão levar menos combustível e, ainda assim, deslocar-se com precisão.