Espaço

Como sensor de um elétron irá medir campo magnético de um planeta inteiro

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/08/2024

Primeiro protótipo do sensor magnetômetro de estado sólido 4H-SiC, medindo 2 mm por 2 mm (direita). Cada retângulo ou quadrado dourado na superfície do microchip representa um sensor individual, sendo o menor de 10 micrômetros por 10 micrômetros.
[Imagem: Nasa]

Magnetômetro

Pesquisadores da NASA conseguiram miniaturizar um magnetômetro - um dispositivo usado para medir campos magnéticos - que deverá substituir aqueles que têm voado em quase todas as missões no espaço.

Os campos magnéticos estão por toda parte, originando-se do Sol, dos planetas e das luas, e são transportados por todo o espaço interplanetário pelo vento solar.

Os magnetômetros podem sondar remotamente o interior de um corpo planetário, coletando informações sobre sua composição interna, estrutura, dinâmica e até sua evolução, usando para isso a história magnética congelada nas camadas rochosas da crosta. Esses instrumentos podem até descobrir oceanos escondidos em planetas e luas e ajudar a determinar a sua salinidade, fornecendo assim informações sobre a habitabilidade potencial desses mundos gelados.

Mesmo tão úteis e disseminados, os magnetômetros atuais estão longe de serem ideais para irem ao espaço: Eles são grandes, sofrem interferência da eletrônica da própria nave e ainda precisam ser recalibrados de tempos em tempos. E eles impõem restrições ao desenho da nave, já que precisam ser instalados na ponta de mastros, que precisam se desdobrar, algo que também impede sua utilização em microssatélites e cubesats.

Isso mostra a importância do protótipo de magnetômetro de carbeto de silício (SiC), ou SiCMag, criado pela equipe da NASA, que faz nada menos do que mudar o modo como os campos magnéticos são medidos no espaço.

Um eletroímã impresso em 3D, de 3 eixos, é suficiente para isolar o magnetômetro, criando um campo magnético zero em torno do novo sensor, que mede 0,1 mm x 0,1 mm.
[Imagem: Nasa]

Magnetômetro SiCMag

Para começar, o magnetômetro SiCMag é ultraminiaturizado e totalmente de estado sólido. Seu funcionamento se baseia nos centros de cores (ou vacâncias), que são pequenos "defeitos" na estrutura cristalina de um material.

Neste caso não é exatamente um defeito, mas uma irregularidade criada intencionalmente na rede cristalina do material, retirando um único átomo do lugar - esta mesma técnica já vem sendo explorada para criar qubits para computadores quânticos, incluindo qubits de silício.

Essas irregularidades introduzidas no material dão origem a um sinal de magnetorresistência que pode ser detectado monitorando alterações na corrente elétrica que passa pelo chip sensor. Essas alterações são introduzidas pela força e pela direção de um campo magnético externo. Como se baseia na alteração imposta sobre um único átomo - na verdade sobre a energização de um único elétron nesse átomo - esta nova tecnologia é incrivelmente sensível, além operar em uma ampla gama de temperaturas e suportar ambientes de radiação extremos e severos, comumente encontrados no espaço.

Outra grande novidade aqui é a utilização do carbeto de silício, um parente do tradicional semicondutor, mas que possui uma estrutura molecular única, que o torna altamente tolerante a elevadas radiações, inclusive ao calor e ao frio, tornando a plataforma ideal para ir ao espaço.

"O material SiC não é apenas excelente para detecção de campos magnéticos. Aqui no Centro de Pesquisas Glenn da Nasa estamos desenvolvendo ainda mais componentes eletrônicos robustos de SiC que operam em ambientes quentes muito além das limitações de temperatura superiores da eletrônica de silício. Essas tecnologias baseadas em SiC um dia permitirão uma exploração científica robótica de longa duração da superfície de 460 °C de Vênus," disse o pesquisador David Spry.

Para se ter uma ideia da importância do isolamento dos sensores magnéticos, estas são as linhas de campo gerados pela sonda espacial Psyche. A remoção dessa contaminação magnética exige dois magnetômetros de núcleo saturado (ou de porta de fluxo) em uma longa haste, que agora poderá ser completamente eliminada.
[Imagem: Nasa]

Sensor de campo zero verdadeiro

O novo magnetômetro SiCMag também é muito pequeno: A área do sensor é de apenas 0,1 x 0,1 mm, enquanto as bobinas de compensação, usadas para isolar o sensor de interferências - já preparando-o para ir ao espaço - são menores do que uma moeda de um centavo.

Consequentemente, dezenas de sensores SiCMag podem ser facilmente incorporados em uma espaçonave, o que também ajuda a medir e descontar o complexo campo magnético contaminado gerado pela própria eletrônica da nave. Isso também reduzirá a necessidade de usar uma longa haste para distanciar os sensores da espaçonave.

Mais importante, o SiCMag tem uma capacidade de detecção magnética de campo zero verdadeira, ou seja, o sensor pode medir campos magnéticos extremamente fracos, algo inatingível com a maioria dos magnetômetros de vapor atômico convencionais devido ao campo magnético mínimo necessário para o sensor funcionar. E, como os elétrons portadores de spin no SiCMag estão presos nos centros quânticos, eles não escaparão do sensor, o que significa que eles são adequados para viagens de décadas até os gigantes gelados ou até as bordas da heliosfera.