Como projetar uma vela que não vai rasgar ou derreter em uma viagem interestelar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/03/2022

Concepção artística da espaçonave Starshot durante a aceleração por uma matriz de lasers disparados da Terra.
[Imagem: Masumi Shibata/Breakthrough Initiatives]

Velas impulsionadas a laser

A equipe responsável pela Iniciativa Starshot está levando a sério a ideia de enviar nanonaves para fazerem a primeira viagem interestelar.

Enquanto uma nave impulsionada por um foguete levaria 80.000 anos para chegar à estrela mais próxima de nós, Alfa Centauro, a expectativa da equipe é usar uma versão modificada das velas solares para fazer a viagem em meros 20 anos.

Para isso, porém, não dá para ficar dependendo dos fótons emitidos pelo Sol para impulsionar a vela solar: A ideia é dirigir poderosos feixes de laser, que terão energia suficiente para levar as minúsculas naves até frações significativas da velocidade da luz.

Ao tentar colocar a ideia em prática, contudo, começaram a surgir as complicações, como, por exemplo, que material usar para fabricar uma vela solar que não apenas sobreviva à viagem interestelar - não rasgando - e que simplesmente não derreta com a incidência do laser.

No projeto Starshot, dado que o alvo dos lasers, fornecendo uma intensidade de luz milhões de vezes maior que a do Sol, seria uma estrutura de três metros de diâmetro e mil vezes mais fina que uma folha de papel, descobrir como evitar que a vela rasgue ou derreta é um grande desafio de projeto.

A equipe acaba de publicar dois artigos, nos quais eles apresentam as melhores soluções que encontraram até agora.

Mesmo o formato parabólico não seria suficiente: A vela de luz deverá ser tão larga quanto funda.
[Imagem: Matthew F. Campbell et al. - 10.1021/acs.nanolett.1c03272]

Velas de luz em formato de paraquedas

A primeira surpresa é que as velas de luz da Starshot - que se pretende construir com folhas ultrafinas de óxido de alumínio e dissulfeto de molibdênio - não poderão ser planas como as velas solares já testadas no espaço por missões da NASA e da JAXA, e nem mesmo se contentarão com o já sugerido formato parabólico.

Em vez disso, elas lembrarão mais um paraquedas muito fundo.

A equipe chegou a uma estrutura curva, tão profunda quanto larga, porque ela seria mais capaz de suportar a tensão da hiperaceleração da nave, o que deverá gerar um puxão milhares de vezes maior que a gravidade da Terra, o que forçaria muito o material se ele ficar muito distendido.

"Os fótons do laser encherão a vela como o ar infla uma bola de praia," ilustrou o pesquisador Matthew Campbell. "E sabemos que recipientes leves e pressurizados devem ser esféricos ou cilíndricos para evitar rasgos e rachaduras. Pense em tanques de propano ou mesmo tanques de combustível em foguetes."

Projeto das ranhuras e furos para dissipação térmica da energia dos lasers.
[Imagem: John Brewer et al. - 10.1021/acs.nanolett.1c03273]

Dissipação térmica

E, como a equipe mostra em seu segundo artigo, tampouco a vela poderá ser lisa como as que têm sido testadas, e como a própria equipe havia projetado até agora, porque o calor poderia ameaçar a integridade da vela.

O pesquisador John Brewer projetou então um padrão em nanoescala que deverá ser "impresso" sobre o tecido, juntamente com nanofuros toda a extensão da vela, garantindo uma maior eficiência na dissipação do calor que vem junto com um feixe de laser um milhão de vezes mais intenso que a luz do Sol.

Um ganho adicional deste projeto é que, fazendo o espaçamento dos furos corresponder ao comprimento de onda da luz, e o espaçamento das nano-ranhuras corresponder ao comprimento de onda da emissão térmica, a vela poderá suportar um impulso inicial ainda mais forte, reduzindo o tempo que os lasers precisarão permanecer em seu alvo.

"Alguns anos atrás, até mesmo pensar ou fazer um trabalho teórico sobre esse tipo de conceito era considerado absurdo. Agora, não temos apenas um projeto, mas um projeto baseado em materiais reais disponíveis em nossos laboratórios. Nosso plano para o futuro será fabricar essas estruturas em pequena escala e testá-las com lasers de alta potência," disse o professor Deep Jariwala, membro da equipe.

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