Artemis II: como a cápsula Orion vai enfrentar a reentrada na Terra

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

Os quatro astronautas estabeleceram um novo recorde de distância alcançada por seres humanos a partir do nosso planeta, chegando a um máximo de 406,771 quilômetros da Terra.

A volta termina com uma reentrada em alta velocidade, hipersônica e extremamente quente na atmosfera terrestre, antes de a nave amerissar no Oceano Pacífico, ao largo da costa da Califórnia, por volta das 8pm de 10 de abril (horário local).

Essa reentrada será o último obstáculo a ser enfrentado ao longo da intensa missão de dez dias. O procedimento envolve diversos riscos - mas a nave conta com um conjunto de tecnologias concebidas para manter a tripulação em segurança.

Uma reentrada rápida

Quando a cápsula Orion, que transporta os astronautas da Artemis II, alcançar a atmosfera da Terra, ela estará a mais de 11 km/s (40,000 km/h). Isso equivale a 40 vezes a velocidade de um avião comercial.

Você pode assistir a uma transmissão ao vivo do retorno da tripulação aqui:

Se, em vez disso, olharmos para a energia cinética - isto é, a energia que um objeto possui 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 de passageiros.

Como qualquer nave que retorna para casa, ela precisa desacelerar e reduzir essa energia cinética para quase zero, para que os paraquedas possam ser abertos e a aterrissagem (ou, neste caso, amerissagem) ocorra com segurança.

Para diminuir a energia cinética, as naves fazem uma reentrada controlada pelas camadas superiores da atmosfera, usando o arrasto aerodinâmico como “freio” para desacelerar.

Ao contrário de um avião, que em geral é projetado para ser aerodinâmico e reduzir as forças de arrasto a fim de economizar combustível, uma nave em reentrada segue a lógica inversa. Ela é desenhada para ser o menos aerodinâmica possível, maximizando o arrasto e ajudando a reduzir a velocidade.

Essa desaceleração durante a reentrada pode ser extremamente severa.

Desaceleração e aceleração costumam ser descritas em forças g - ou "g's", para abreviar. Trata-se da força de desaceleração ou aceleração dividida pela aceleração padrão que todos sentimos devido à gravidade da Terra. Um piloto de Fórmula 1 vivencia mais de 5 g's ao fazer uma curva, perto do limite máximo de forças g que um ser humano consegue suportar sem desmaiar.

Cápsulas pequenas e não tripuladas, como a cápsula OSIRIS-REx da NASA - que trouxe amostras do asteroide Bennu -, simplesmente atravessam a atmosfera e desaceleram rapidamente. Esse tipo de entrada acontece muito depressa, em menos de um minuto. Porém, nesse cenário, as forças g podem ultrapassar 100 - algo aceitável para veículos robóticos, mas não para pessoas.

Veículos tripulados, como a cápsula Orion da NASA, recorrem a forças de sustentação para alongar a entrada e desacelerar ao longo de mais tempo. Isso reduz as forças g para níveis mais administráveis, compatíveis com a sobrevivência humana, e faz a reentrada durar vários minutos.

Uma reentrada muito quente

A cápsula Orion voltará à atmosfera deslocando-se a mais de 30 vezes a velocidade do som.

Uma onda de choque vai envolver a nave, criando temperaturas no ar de 10,000°C ou mais - cerca de duas vezes a temperatura da superfície do Sol.

O calor extremo transforma o ar que atravessa a onda de choque em um plasma eletricamente carregado. Isso bloqueia temporariamente os sinais de rádio, de modo que os astronautas não conseguirão comunicar-se durante os trechos mais críticos da descida.

Garantindo que a reentrada seja segura

As naves enfrentam o ambiente extremamente severo da reentrada por meio de um planejamento cuidadoso das suas trajetórias, para reduzir o aquecimento o máximo possível.

Além disso, a nave leva um sistema de proteção térmica. Na prática, trata-se de uma “manta” isolante que protege a nave e a sua tripulação (ou carga) do escoamento hipersônico agressivo do lado de fora.

O sistema de proteção térmica é projetado sob medida para cada veículo e para a missão específica. Materiais capazes de suportar mais calor são aplicados nas superfícies onde se espera a condição mais severa, e as espessuras também são ajustadas com precisão.

Esses materiais são feitos para ficar incandescentes e se degradar durante a entrada - mas resistem. O brilho vermelho, por sua vez, também irradia calor de volta para a atmosfera, em vez de permitir que ele seja absorvido pela nave.

Esse grau de projeto detalhado é o que permite à Artemis 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 usa materiais chamados ablativos. Em geral, são produzidos com fibra de carbono e um tipo de cola conhecido como resina fenólica.

Escudos térmicos ablativos absorvem energia e liberam um gás relativamente frio no escoamento junto à superfície do veículo, ajudando a reduzir a temperatura do conjunto.

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

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

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

A avaliação deles é que, na Artemis I, a perda de blocos do escudo ocorreu por um acúmulo de pressão dentro do material durante a fase "skip" da entrada, quando a nave saiu da atmosfera para arrefecer antes de realizar uma segunda entrada, na qual amerissou.

Para a Artemis II, a equipa de engenharia optou por ajustar ligeiramente a trajetória, mantendo o uso de sustentação, mas com um "skip" menos definido.

É impressionante ver o que a NASA e os astronautas já alcançaram nesta missão. Mas, como muitos, vou ficar aliviado quando os vir recebidos em segurança de volta à Terra.

Chris James, Professor sênior, Centro de Hipersônica, Escola de Engenharia Mecânica e de Minas, Universidade de Queensland

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